基于厚度的NiOx界面工程调控,以提升宽带隙钙钛矿太阳能电池的性能

时间:2026年5月28日
来源:Organic Electronics

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刘伟志|邱凯夫|张亚文|宗北北|严明|娄秀群|陈丽萍|于学功|王永倩|陈刚中国浙江省杭州市,浙江大学硅与先进半导体材料国家重点实验室及材料科学与工程学院摘要宽带隙钙钛矿太阳能电池在串联光伏应用中显示出巨大潜力;然而,界面电荷传输不足仍然是限制效率进一步提升的关键瓶颈。在本研究中,

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刘伟志|邱凯夫|张亚文|宗北北|严明|娄秀群|陈丽萍|于学功|王永倩|陈刚
中国浙江省杭州市,浙江大学硅与先进半导体材料国家重点实验室及材料科学与工程学院

摘要

宽带隙钙钛矿太阳能电池在串联光伏应用中显示出巨大潜力;然而,界面电荷传输不足仍然是限制效率进一步提升的关键瓶颈。在本研究中,通过调节前驱体浓度制备了不同厚度的NiOx空穴传输层,并系统地研究了它们对界面性质和器件性能的影响。结果表明,增加NiOx的厚度可以提高功函数并改善表面润湿性,从而促进钙钛矿前驱体更均匀的扩散和成核,形成晶粒尺寸更大的钙钛矿薄膜。稳态光致发光测量表明,在中等浓度下制备的薄膜具有最高的界面电荷提取效率。因此,器件性能明显依赖于厚度,其中5 mg/mL的浓度下制备的器件实现了最高的功率转换效率(PCE)19.41%。这些结果表明,简单的厚度调节能够协同优化NiOx的界面性质,为宽带隙钙钛矿太阳能电池的界面工程提供了一种有效策略。

引言

宽带隙钙钛矿(Eg ≥ 1.6 eV)由于其优异的光电性能和可调的带隙,在高效串联太阳能电池中展现出巨大潜力,尤其是在钙钛矿/硅串联结构中[1]、[2]、[3]。然而,与窄带隙钙钛矿相比,宽带隙钙钛矿太阳能电池(PSCs)通常具有较大的开路电压(Voc)缺陷、明显的非辐射复合以及增加的相分离现象。这些问题严重限制了功率转换效率(PCE)的进一步提升[4]、[5]、[6]、[7]。为了解决这些问题,已经开发了多种策略,包括溶剂工程以优化结晶过程、成分工程以调节卤化物比例并稳定A位阳离子,以及添加剂工程和表面钝化以减少体相和界面缺陷密度[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。尽管在材料和界面质量方面取得了这些进展,但界面电荷传输不足仍然是一个关键瓶颈,阻碍了宽带隙钙钛矿太阳能电池性能的持续提升[18]、[19]。
倒置钙钛矿太阳能电池因其低滞后性、优异的操作稳定性和与串联结构的良好兼容性而受到广泛关注。这类器件的发展得益于多种空穴传输材料的持续开发以及创新的界面钝化策略[20]、[21]。在各种空穴传输材料中,NiOx因其宽带隙、高光学透明度和与钙钛矿的良好价带对齐而被广泛用作无机空穴传输层(HTL)。然而,NiOx薄膜通常具有相对较低的导电性、丰富的表面缺陷和次优的界面接触,这可能会阻碍界面电荷传输并降低器件性能。为了解决这些问题,已经开发了多种策略,如表面修饰和界面工程,以改善NiOx的电学性质和NiOx/钙钛矿界面的质量,从而增强载流子传输和光伏性能。例如,ABA分子修饰已被报道可以改善NiOx的表面质量[4],碘化苯甲酸衍生物被用于优化NiOx/钙钛矿接触[5],有机中间层被引入NiOx表面以钝化缺陷并促进载流子分离[6]。最近,提出了更先进的界面策略:结合自组装单层(SAM)中间层和PABr分子处理的协同界面修饰在倒置PSCs中实现了25.13%的效率[22];在埋藏的NiOx–钙钛矿界面插入超薄聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中间层,获得了22.22%的PCE和优异的稳定性[23];MXene量子点(MQDs)被用于工程化NiOx纳米颗粒,通过促进表面羟基化和增强SAM锚定,实现了1.68 eV带隙的不透明PSCs,其PCE达到22.96%,串联电池的效率超过31%[24]。虽然这些方法取得了显著改进,但它们通常需要复杂的分子设计、多步骤处理或引入额外的中间层材料,这不可避免地增加了制造复杂性和成本。因此,开发一种简单且可控的NiOx调节策略对于进一步优化界面电荷传输和提高宽带隙钙钛矿太阳能电池的性能至关重要。
在本研究中,通过调节前驱体浓度,采用溶液法制备了不同厚度的NiOx薄膜,并系统研究了厚度对界面能级和电荷传输行为的影响。结果表明,适当的NiOx厚度可以有效优化界面电荷传输并提高器件性能。基于此,制备了倒置宽带隙钙钛矿太阳能电池,并全面研究了NiOx厚度对光伏性能的影响。这项工作从厚度调节的角度为界面工程提供了新的视角。

章节摘录

结果与讨论

我们首先系统研究了使用不同前驱体浓度制备的NiOx薄膜的光学性质和能级结构。如图1a所示,通过调节前驱体溶液浓度(3、5和7 mg/mL),通过旋涂工艺制备了不同厚度的NiOx薄膜。图1b展示了相应的透射光谱,所有样品在波长范围内都表现出高光学透明度,透射率超过95%

结论

总之,通过调节前驱体浓度(3、5和7 mg/mL),系统地控制了NiOx空穴传输层的厚度,并对其对宽带隙钙钛矿太阳能电池的界面性质和器件性能的影响进行了彻底研究。结果表明,NiOx厚度的变化有效地调节了功函数和表面润湿性,从而影响了钙钛矿前驱体的扩散和成核行为

材料

氧化铟锡(ITO)导电玻璃基底(片电阻约15 Ω sq-1)购自华南翔城科技有限公司。NiOx前驱体溶液来自西安宇瑞太阳能有限公司,自组装单层材料4PADCB购自苏州利伟科技有限公司(纯度>98%)。碘化铅(PbI2,99.99%)、溴化铅(PbBr2,99.99%)、氯化甲基铵(MACl,99.5%)、溴化甲基铵(MABr,99.5%)、碘化甲胺(FAI)

CRediT作者贡献声明

陈刚:指导、资金获取。王永倩:指导、项目管理、资金获取。于学功:撰写 – 审稿与编辑、指导、概念化。陈丽萍:项目管理。娄秀群:指导、项目管理。严明:指导、项目管理、数据管理。宗北北:研究、数据管理、概念化。张亚文:研究、数据管理。邱凯夫:撰写 – 审稿与编辑、指导

利益冲突

作者声明他们与本工作没有利益冲突。

利益冲突声明

作者声明他们与本工作没有利益冲突。我们声明我们没有任何与提交的工作相关的商业或关联利益冲突。

致谢

作者衷心感谢浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划(2024C01092)的财政支持。作者还感谢国家自然科学基金(编号U23A20354)和苏州实验室开放研究项目(SZLAB-1208-2025-ZD014)的支持。作者还感谢Aiko Zeus实验室提供的实验设施和技术协助。

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