超薄ZrO2 界面层修饰的介观钙钛矿太阳能电池：无空穴传输层设计与性能突破

为解决钙钛矿太阳能电池（PSCs）中电子传输层（ETL）与钙钛矿界面缺陷导致的非辐射复合问题，华中科技大学团队通过化学浴沉积法在介孔TiO2 （mp-TiO2 ）内表面构建超薄ZrO2 绝缘界面层，显著抑制界面缺陷并改善钙钛矿结晶。优化后的无空穴传输层介观钙钛矿电池（p-MPSCs）效率达19.9%，开路电压提升70 mV，为界面工程提供新策略。

　　

在可再生能源领域，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其溶液加工性和高效率成为研究热点，但界面缺陷导致的非辐射复合严重制约性能提升。介孔TiO₂
（mp-TiO₂
）作为经典电子传输层（ETL），表面悬挂键和配位不饱和原子会引发载流子复合。尽管有机分子和自组装单层（SAMs）等界面修饰手段被广泛探索，其化学稳定性不足限制了长期应用。无机绝缘层如Al₂
O₃
和MgF₂
虽展现潜力，但如何平衡钝化效果与载流子提取仍是挑战。

华中科技大学团队在《Journal of Energy Chemistry》发表研究，提出通过化学浴沉积在mp-TiO₂
内表面均匀包覆1-2 nm ZrO₂
层，构建“绝缘接触”界面。该设计不仅抑制了TiO₂
/钙钛矿界面的非辐射复合，还通过改善润湿性促进钙钛矿（Cs_0.05
MA_0.15
FA_0.8
PbI_2.96
Br_0.04
）在介孔支架内的结晶。厚度优化后，无空穴传输层的可印刷介观钙钛矿电池（p-MPSCs）效率达19.9%，开路电压（V
_oc
）提升70 mV。

关键技术方法
研究采用化学浴沉积法，以锆酸正丁酯（zirconium n-butoxide）为前驱体，在mp-TiO₂
表面缓慢水解形成ZrO₂
层；通过扫描电镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征界面形貌与化学态；利用稳态/瞬态荧光光谱分析载流子复合动力学；基于三明治结构（mp-TiO₂
/mp-ZrO₂
/多孔碳电极）组装p-MPSCs器件。

研究结果

1. 材料与界面特性
   ZrO₂
   层通过羟基锚定实现mp-TiO₂
   内表面全覆盖，XPS证实Zr-O-Ti键的形成。接触角测试显示ZrO₂
   修饰使mp-TiO₂
   润湿性增强，钙钛矿填充率提高15%。

2. 厚度依赖性
   当ZrO₂
   层厚度为1.5 nm时，器件性能最优：过厚（>3 nm）会阻碍电子隧穿，导致短路电流密度（J
   _sc
   ）和填充因子（FF）下降；过薄（<1 nm）则钝化效果不足。

3. 性能提升机制
   电化学阻抗谱（EIS）表明ZrO₂
   层使复合电阻提升3倍，瞬态光电压衰减寿命延长至未修饰器件的2.5倍，证实界面复合被有效抑制。

结论与意义
该研究创新性地将超薄ZrO₂
绝缘层引入p-MPSCs界面，通过“物理隔离+化学钝化”双机制降低缺陷密度，同时维持高效载流子提取。其意义在于：

1. 为无空穴传输层设计提供新思路，简化器件结构并降低成本；
2. 揭示界面层厚度与器件参数的定量关系，指导后续优化；
3. 化学浴沉积法兼容大规模生产，推动钙钛矿电池商业化进程。

研究由Kai Chen和Hongwei Han团队完成，获国家自然科学基金（22439001）和武汉光电国家实验室创新基金支持。