弱酸性硼酸功能化自组装单分子层抑制NiOx腐蚀实现高效全钙钛矿叠层太阳能电池

针对全钙钛矿叠层太阳能电池(TSCs)中NiOx/自组装单分子层(SAMs)界面腐蚀和相分离问题，研究人员开发了基于硼酸(BA)锚定基团的弱酸性SAMs。通过-BO2--Ni强配位和S-Ni轨道相互作用增强界面稳定性，同时利用π-阳离子相互作用调控钙钛矿结晶。最终实现宽带隙(WBG)子电池20.1%和叠层器件28.5%的转换效率(PCE)，并在持续光照500小时后保持90%初始性能。

　　

在追求更高光电转换效率的道路上，全钙钛矿叠层太阳能电池(TSCs)因其突破单结Shockley-Queisser极限的潜力而备受瞩目。然而，这类器件的性能长期受制于宽带隙(WBG)子电池中两个关键问题：一是传统磷酸(PA)功能化自组装单分子层(SAMs)的强酸性会腐蚀镍氧化物(NiO_x)空穴传输层；二是溴碘混合钙钛矿易发生相分离，导致非辐射复合和光不稳定性。这些问题严重制约了器件效率提升和商业化进程，亟需开发新型界面材料和结晶调控策略。

为攻克这些难题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所等机构的研究人员开展了一项创新性研究。团队设计了一种弱酸性硼酸(BA)功能化的SAMs材料，通过分子工程和界面调控，显著提升了WBG子电池和叠层器件的性能与稳定性。相关成果发表在《Nature Communications》上，为高效稳定钙钛矿光伏器件开发提供了新思路。

研究采用了多种先进表征和模拟技术：密度泛函理论(DFT)计算揭示了BA-SAMs与NiO_x的强配位机制；X射线光电子能谱(XPS)和开尔文探针力显微镜(KPFM)证实了界面稳定性提升；原位紫外-可见吸收和荧光光谱实时追踪了钙钛矿结晶动力学；掠入射X射线衍射(GIWAXS)分析了薄膜应力分布；时间分辨荧光(TRPL)和电化学阻抗谱(EIS)评估了载流子动力学。

在"SAMs在NiO_x表面的吸附机制"部分，DFT计算显示BA锚定基团通过-BO₂^--Ni配位(-5.58 eV)实现与PA-SAMs相当的结合能，而苯并噻吩头基通过S-Ni轨道相互作用将结合能提升至-6.73 eV。XPS证实S-BA-SAM处理的NiO_x表面Ni³⁺比例从79.6%降至78.5%，界面电荷转移增强。电感耦合等离子体(ICP)测试显示BA-SAMs溶液中的Ni离子浓度(29 μg/L)显著低于PA-SAMs(87 μg/L)，证实腐蚀抑制效果。

关于"SAMs对钙钛矿结晶的影响"，傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示FA⁺骨架振动峰从1716.1 cm^-1移至1723.5 cm^-1，证实π-阳离子相互作用。原位荧光光谱显示S-BA-SAM加速了碘富集区成核，实现Br/I均匀混合。时间飞行二次离子质谱(TOF-SIMS)显示处理后的薄膜Br/I比降低，结晶均一性改善。GIWAXS分析表明(100)/(110)衍射峰强度比提升，薄膜应力从25 MPa降至16 MPa。

在"WBG单结PSCs的光伏性能"方面，最优S-BA-SAM:Me-4PACz(4:1)器件获得20.1%的转换效率(PCE)，开路电压(V_oc)达1.30 V，填充因子(FF)84.8%。准费米能级分裂(QFLS)从1.296 eV提升至1.322 eV，电荷复合寿命从26.1 ns延长至483.9 ns。连续光照750小时后，器件保持91%初始效率，而对照组仅剩56%。

最终"全钙钛矿TSCs的性能"部分，叠层器件实现28.5%的PCE和2.15 V的V_oc，电流匹配良好(顶电池16.2 mA/cm²，底电池16.0 mA/cm²)。在最大功率点跟踪(MPP)测试中，500小时后仍保持90%初始性能，展现出优异的操作稳定性。

这项研究通过分子设计解决了钙钛矿光伏领域两个关键挑战：一是开发弱酸性BA锚定基团替代传统PA-SAMs，通过-BO₂^--Ni配位和S-Ni相互作用增强界面稳定性；二是利用π-阳离子相互作用调控结晶动力学，抑制相分离。所获得的28.5%叠层效率是当时报道的最高值之一，为突破30%效率瓶颈提供了新策略。更重要的是，这项工作揭示了界面化学键合与结晶调控的协同机制，为其他多层薄膜光电器件的界面工程提供了普适性指导。研究成果将加速钙钛矿光伏技术的商业化进程，对发展低成本、高效率的清洁能源技术具有重要意义。