景行
一、【科学背景】
锡基钙钛矿太阳能电池（TPSCs）作为无铅且环境友好的器件，已成为铅基钙钛矿太阳能电池的潜在替代方案，其倒置结构的认证功率转换效率（PCE）已超过16%，且理论上因理想带隙支持超过33%的PCE，但实际性能与稳定性仍大幅落后，部分原因在于次优的空穴传输层（HTL）及不良的埋底界面阻碍了空穴提取。当前高性能倒置TPSCs常采用聚（3,4-乙撑二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）作为HTL，但其吸湿性与酸性会加速锡基钙钛矿的降解和氧化，且对紫外光与湿气高度敏感；氧化镍（NiOx）虽因载流子传输效率高、稳定性优、制备简便而被视为替代HTL，但其在倒置TPSCs中的应用受限于能级匹配差、氧空位及界面氧化还原反应，这些问题均会阻碍空穴提取并加速锡基钙钛矿降解。此外，此前用于修饰倒置铅基钙钛矿太阳能电池（LPSCs）HTL的自组装分子（如2PACz），在TPSCs中存在基底覆盖不均、对钙钛矿前驱体液润湿性差的问题，且其最高占据分子轨道（HOMO）能级（约-5.6 eV）深于锡基钙钛矿的价带顶（VBM，约-5.1 eV），限制空穴提取，难以适配NiOx界面，甚至可能加剧空穴提取能力不足与界面缺陷问题。
二、【创新成果】
近日，复旦大学梁佳青年研究员、上海交通大学戚亚冰教授和南京理工大学徐勃教授等合作，针对锡基钙钛矿太阳能电池（TPSCs）性能与稳定性不足的问题，设计合成了（Z）-3-（4’，5′-双（4-（双（4-甲氧基苯基）氨基）苯基）-[2,2′-联噻吩]-5-基）-2-氰基丙烯酸（MBC）和（E）-（2-（4’，5′-双（4-（双（4-甲氧基苯基）氨基）苯基）-[2,2′-联噻吩]-5-基）-1-氰基乙烯基）膦酸（MBP）两种新型分子，用于修饰NiOx HTL以优化埋底界面。其中MBP可形成均匀界面层（粗糙度1.87 nm，远低于传统2PACz的6.04 nm），实现与锡基钙钛矿的能级精准匹配（HOMO -4.95 eV，接近钙钛矿VBM -5.10 eV），且构建超浸润底层（前驱液接触角<10°），引导形成高质量钙钛矿膜，减少缺陷与非辐射复合。基于此，倒置小面积TPSCs获17.89%的PCE（反向扫描认证17.71%），为当前最高；1 cm2大面积器件PCE达14.40%，体现良好可扩展性。稳定性方面，封装器件在常温储存1344 h保留95%以上初始PCE，1-sun光照下连续工作1550 h保留94%以上，且首次实现NiOx基HTL性能超越传统PEDOT:PSS，推动TPSCs实用化。
图1分子均匀分布与能级优化助力空穴提取和传输性能提升。（a-c）NiOx/2PACz、NiOx/MBC和NiOx/MBP薄膜的原子力显微镜（AFM）形貌图。（d）ITO、NiOₓ、NiOₓ/MBC、NiOₓ/MBP及锡基钙钛矿（Sn-PVSK，其中Sn-PVSK代表锡基钙钛矿）的能级图；（e）2PACz、MBC和MBP分子的计算偶极矩。（f）锡基钙钛矿薄膜在NiOₓ、NiOₓ/MBC和NiOₓ/MBP空穴传输层（HTL）上的时间分辨光致发光（TRPL）衰减曲线。（g）2PACz、MBC和MBP分子与NiOₓ表面相互作用的计算电子密度分布。© 2025 Springer Nature
图2锡基钙钛矿薄膜在埋底界面的形貌与结构。（a）NiOₓ、NiOₓ/2PACz、NiOₓ/MBC和NiOₓ/MBP薄膜对水及锡基钙钛矿（Sn-PVSK）前驱液的接触角测试结果，a中的插图为锡基钙钛矿前驱液在NiOₓ、NiOₓ/2PACz、NiOₓ/MBC和NiOₓ/MBP薄膜上的接触角数码照片；（b-d）锡基钙钛矿在NiOₓ、NiOₓ/MBC和NiOₓ/MBP空穴传输层（HTL）上埋底表面形貌的典型顶视扫描电子显微镜（SEM）图像。（e-g）锡基钙钛矿在NiOₓ、NiOₓ/MBC和NiOₓ/MBP空穴传输层上的典型截面SEM图像。© 2025 Springer Nature
作者通过原子力显微镜（AFM）、开尔文探针力显微镜（KPFM）及分子动力学模拟，对比NiOₓ/2PACz、NiOₓ/MBC、NiOₓ/MBP的界面特性，发现MBP在NiOₓ表面形成最均匀界面层（粗糙度1.87 nm，远低于2PACz的6.04 nm）；结合紫外光电子能谱（UPS），MBP的最高占据分子轨道（HOMO，-4.95 eV）与锡基钙钛矿价带顶（VBM，-5.10 eV）能级匹配最优，时间分辨光致发光（TRPL）和莫特-肖特基分析验证其空穴提取效率提升，电子密度分布及吸附能（-2.71 eV）也表明MBP与NiOₓ相互作用最强。通过接触角测试，显示MBP修饰层兼具高水接触角（防湿气）与低钙钛矿前驱液接触角（<10°，超浸润）；扫描电子显微镜（SEM）观察到，NiOₓ上锡钙钛矿埋底表面有针孔，而MBP/MBC修饰后无针孔且截面结构均匀；GIXRD结果表明，MBP使钙钛矿残余压应力最小，可缓解缺陷与降解风险。
图3高物相纯度降低界面能量损失。（a-c）从PEN/ITO/空穴传输层（HTL）/锡基钙钛矿背面获取的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图谱，其中空穴传输层分别为NiOₓ、NiOₓ/MBC和NiOₓ/MBP。（d）锡基钙钛矿薄膜在NiOₓ、NiOₓ/MBC和NiOₓ/MBP空穴传输层上的X射线衍射（XRD）图谱（从底面侧测量）；（e）锡基钙钛矿薄膜在NiOₓ、NiOₓ/MBC和NiOₓ/MBP空穴传输层上Sn 3d₅/₂和Sn 3d₃/₂能级区域的Sn⁴⁺/Sn²⁺比值；（f）锡基钙钛矿薄膜在NiOₓ、NiOₓ/MBC和NiOₓ/MBP空穴传输层上的光致发光量子产率（PLQY）。（g）锡基钙钛矿薄膜在上述三种空穴传输层上的估算准费米能级分裂（QFLS）与开路电压（Voc）；（h）锡基钙钛矿在NiOₓ/MBP空穴传输层上的典型顶视SEM形貌图；（i）锡基钙钛矿薄膜在NiOₓ/MBP空穴传输层上的光致发光（PL）图。© 2025 Springer Nature
图4 TPSCs的光伏性能。（a）TPSCs的结构示意图，其结构为ITO/空穴传输层（HTL）/锡基钙钛矿/ICBA/BCP/Ag；（b）NiOₓ、NiOₓ/MBC和NiOₓ/MBP空穴传输层对应的TPSCs在正向和反向扫描模式下的电流–电压（J-V）曲线；（c）NiOₓ/MBP空穴传输层对应的TPSCs在正向和反向扫描模式下的认证J-V曲线；（d）本研究与此前报道的倒置TPSCs的认证功率转换效率（PCE）对比；（e）三种空穴传输层对应的TPSCs的入射光–电流转换效率（IPCE）光谱及积分短路电流密度（Jₛc）值；（f）三种空穴传输层对应的TPSCs的奈奎斯特图；（g）封装后的TPSCs在环境大气中储存1344 h以上的长期稳定性，每组7个器件的初始平均PCE分别为16.48%、15.2%和11.23%；（h）封装后的TPSCs在连续1倍太阳等效白光LED照射下的工作稳定性。© 2025 Springer Nature
作者通过掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和X射线衍射（XRD）发现，NiOₓ/MBP修饰下的钙钛矿Bragg斑点最尖锐、XRD峰最强，物相纯度最高；X射线光电子能谱（XPS）显示其Sn4+/Sn2+比值最低，有效抑制空位缺陷；光致发光量子产率（PLQY，4.5%）和准费米能级分裂（QFLS，1.02 eV）最优，减少非辐射复合，扫描电子显微镜（SEM）和光致发光（PL）mapping也证明其膜层更均匀。作者对器件光伏性能进行表征。J-V曲线显示NiOₓ/MBP小面积TPSCs功率转换效率（PCE）达17.89%（反向扫描认证17.71%），1 cm2大面积器件PCE达14.40%；入射光-电流转换效率（IPCE）积分短路电流密度最高，电化学阻抗谱（EIS）显示其界面电阻最优；稳定性上，封装器件环境储存1344 h保留95%以上初始PCE，1-sun光照1550 h保留94%以上，且首次实现NiOₓ基HTL性能超越传统PEDOT:PSS。
该研究实现了一种高性能锡基钙钛矿太阳能电池（TPSCs），以“Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface”为题发表在国际顶级期刊Nature上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，本文实现了一种锡基钙钛矿太阳能电池（TPSCs），通过设计合成MBC和MBP两种新型分子，修饰氧化镍（NiOₓ）空穴传输层（HTL）以优化埋底界面。该电池可形成均匀 interfacial层、实现能级精准匹配并构建超浸润底层，减少缺陷与非辐射复合，小面积器件功率转换效率（PCE）达17.89%（反向扫描认证17.71%），1 cm²大面积器件PCE达14.40%；封装后在环境储存1344 h保留95%以上初始PCE，1-sun光照下连续工作1550 h保留94%以上初始PCE，还首次实现NiOₓ基HTL性能超越传统PEDOT:PSS，为TPSCs实用化奠定基础。
原文详情：Li, T., Luo, X., Wang, P. et al. Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09724-2
本文由景行撰稿
