論文(wen)概覽

針對倒置鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）中空穴傳輸層（HTL）與鈣鈦礦界面存在的分布不均、接觸不良及能量損失等問題，重慶大學孫寬、蔣廷猛團隊聯合多家科研單位，創新性地設計并應用了一種名為4-溴芐基膦酸（4Br-BPA）的小分子橋接層，成功實現了界面多功能協同優化。該研究通過將4Br-BPA分子嵌入Me-4PACz SAM層與鈣鈦礦之間，實現了界面鈍化、能級對齊、結晶促進與應力釋放等多重效應。實驗表明，4Br-BPA不僅能填補SAM層空隙、增強NiO?表面態，還能通過π–π堆疊作用優化電荷傳輸路徑，顯著提升空穴遷移率與界面穩定性。最終，基于4Br-BPA的倒置PSCs實現了26.59%的最高光電轉換效率（認證效率26.12%），并在連續光照1400小時后仍保持90%的初始效率，展現出卓越的操作穩定性。該研究以"Multifunctional Buried Molecule-Bridge for High-Performance Inverted Perovskite Solar Cells"為題發表于Advanced Materials。

技術亮點

多功能分子橋設計：4Br-BPA憑借其小分子尺寸與雙功能基團（溴苯與膦酸），同時實現物理填充與化學鈍化，顯著提升界面完整性。

π–π堆疊增強電荷傳輸：4Br-BPA與Me-4PACz形成強π–π相互作用，減少界面電荷積累，優化能級對齊，提升空穴提取效率。

結晶模板與應變釋放：4Br-BPA層促進鈣鈦礦晶粒長大（平均尺寸從550 nm增至900 nm），并顯著降低薄膜殘余應力（從15.69 MPa降至1.50 MPa）。

協同鈍化與穩定性提升：4Br-BPA與鈣鈦組分形成氫鍵與配位作用，有效鈍化界面缺陷，器件在濕熱環境下表現出色穩定性。

研(yan)究意義

? 突破效率(lv)瓶頸：實(shi)現26.59%的高效率(lv)，為(wei)倒置(zhi)PSCs的性(xing)能(neng)提升提供(gong)新路徑。? 提出(chu)分(fen)子橋(qiao)接新策略(lve)：為(wei)SAM/鈣鈦礦界(jie)面(mian)工程(cheng)提供(gong)多功能(neng)分(fen)子設計范式。? 兼顧(gu)性(xing)能(neng)與(yu)穩定性(xing)：在(zai)提升效率(lv)的同時顯著增強(qiang)器件(jian)長期運行可(ke)靠性(xing)。? 推動產業化(hua)應(ying)用(yong)(yong)：溶液法(fa)制備兼容性(xing)強(qiang)，具備規(gui)模化(hua)應(ying)用(yong)(yong)潛力。

深度精度

圖1：4Br-BPA分子結構及其界面調控機制

該圖(tu)(tu)系統展示(shi)(shi)了4-溴芐基膦酸（4Br-BPA）分子的(de)化(hua)學結構及其(qi)(qi)在(zai)(zai)鈣鈦(tai)礦太陽能電池中(zhong)(zhong)的(de)多功能界面調控作(zuo)用。通過(guo)DFT計算證實(shi)4Br-BPA與鈣鈦(tai)礦的(de)吸附(fu)能高達-3.74 eV（圖(tu)(tu)1b），而1H NMR譜（圖(tu)(tu)1c）中(zhong)(zhong)FAI與4Br-BPA混合后特征峰位移（7.88→8.67 ppm）揭(jie)示(shi)(shi)了氫鍵相(xiang)(xiang)互作(zuo)用。XPS分析(xi)（圖(tu)(tu)1d）顯(xian)示(shi)(shi)4Br-BPA處理(li)使Pb 4f結合能降低(di)0.34 eV，表明其(qi)(qi)通過(guo)電子轉移有(you)效(xiao)鈍(dun)化(hua)鉛空位。UV-Vis光譜（圖(tu)(tu)1e）中(zhong)(zhong)360 nm處π-π*躍遷峰的(de)紅(hong)移證實(shi)了4Br-BPA與Me-4PACz的(de)π-π堆疊，而C 1s XPS（圖(tu)(tu)1f）中(zhong)(zhong)288-294 eV區(qu)間的(de)信(xin)號增(zeng)強(qiang)進一(yi)步驗證了這種相(xiang)(xiang)互作(zuo)用。P 2p XPS（圖(tu)(tu)1g）的(de)雙峰分解表明4Br-BPA優先錨定(ding)在(zai)(zai)NiOx表面，其(qi)(qi)分子密度達4.77×1013 cm?2（圖(tu)(tu)1h），比(bi)對照組提升21%，顯(xian)著改善(shan)了界面覆蓋率和電荷傳(chuan)輸效(xiao)率。

圖2：界面電荷傳輸與能級調控

該圖通過多尺度表征揭示了(le)4Br-BPA對電(dian)(dian)荷(he)(he)傳(chuan)(chuan)輸動力學和(he)能級(ji)排列的(de)(de)優化作用。導電(dian)(dian)原子力顯微鏡（圖2g-h）測得(de)界面電(dian)(dian)流從(cong)74.56 pA增至(zhi)91.87 pA，與電(dian)(dian)導率提升33%（1.08×10?? S cm?1）的(de)(de)結果一致。UPS分(fen)析（圖2i）表明4Br-BPA使NiOx/Me-4PACz價帶從(cong)-5.28 eV下移(yi)至(zhi)-5.47 eV，與鈣(gai)鈦(tai)礦價帶（-5.45 eV）形成完美匹配(pei)。差分(fen)電(dian)(dian)荷(he)(he)密度分(fen)析（圖2j-k）顯示4Br-BPA處(chu)理顯著降低了(le)界面電(dian)(dian)荷(he)(he)積累，而Ni 2p XPS（圖2l）中Ni3?/Ni2?比(bi)例從(cong)0.87增至(zhi)1.03，證(zheng)實了(le)空穴傳(chuan)(chuan)輸能力的(de)(de)增強。

圖3：鈣鈦礦結晶與缺陷調控

該圖(tu)(tu)(tu)(tu)全面解析(xi)了4Br-BPA對鈣鈦礦薄膜結晶(jing)質量和缺(que)(que)陷態的影響(xiang)機制(zhi)。掠(lve)入射XRD（圖(tu)(tu)(tu)(tu)3d-f）證實4Br-BPA使鈣鈦礦殘余應力從15.69 MPa降至-1.50 MPa。穩態/瞬態PL（圖(tu)(tu)(tu)(tu)3g-h）顯(xian)示載(zai)流子壽命(ming)從6.13 μs延長至8.08 μs，PL mapping（圖(tu)(tu)(tu)(tu)3i）強(qiang)度均勻性(xing)提(ti)升。空間電(dian)荷限制(zhi)電(dian)流測(ce)試(shi)（圖(tu)(tu)(tu)(tu)3j）測(ce)得陷阱密度降低14%（2.79×101? cm?3），瞬態吸收光譜（圖(tu)(tu)(tu)(tu)3l-n）顯(xian)示載(zai)流子復合(he)壽命(ming)從944.97 ps縮短至806.06 ps，證實了缺(que)(que)陷鈍(dun)化和電(dian)荷提(ti)取效率(lv)的同步提(ti)升。

圖4：器件性能與穩定性驗證

該圖(tu)(tu)展(zhan)示(shi)了4Br-BPA界面(mian)(mian)工程對器(qi)件光(guang)(guang)伏性(xing)能和(he)穩定性(xing)的全面(mian)(mian)提升。電化學阻抗譜（圖(tu)(tu)4f）顯(xian)(xian)示(shi)復(fu)合電阻增(zeng)大，而光(guang)(guang)強依賴Voc測試（圖(tu)(tu)4g）證實理想因子從1.73降至(zhi)1.31 kBT/q。瞬態光(guang)(guang)電壓衰減（圖(tu)(tu)4h）顯(xian)(xian)示(shi)載流子壽命延長(chang)至(zhi)8.69 μs，穩態輸出(chu)（圖(tu)(tu)4e）在(zai)400秒內保持26.22%效率。加速老(lao)化測試（圖(tu)(tu)4i-j）顯(xian)(xian)示(shi)器(qi)件在(zai)1400小(xiao)時連(lian)續光(guang)(guang)照后保持90%初始效率，在(zai)30%濕度環境中(zhong)1200小(xiao)時穩定性(xing)較對照組提升29%，充分驗證了4Br-BPA分子橋的多功能界面(mian)(mian)穩定作用。

結論展望

本研究(jiu)通過引入4Br-BPA分子橋接層，成功(gong)實現了倒置(zhi)鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)太陽能電池界(jie)(jie)面的多功(gong)能協同優(you)化(hua)，最終獲得(de)26.59%的高效(xiao)率與(yu)(yu)(yu)卓越的長期穩(wen)定(ding)性(xing)。該工作(zuo)不僅為(wei)SAM/鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)界(jie)(jie)面工程提供了新(xin)材料與(yu)(yu)(yu)新(xin)策略(lve)，也為(wei)未來高性(xing)能、高穩(wen)定(ding)性(xing)鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)電池的設計(ji)與(yu)(yu)(yu)產業化(hua)提供了重要理(li)論與(yu)(yu)(yu)實踐基礎。隨著分子界(jie)(jie)面工程的進一(yi)(yi)步發展與(yu)(yu)(yu)工藝(yi)優(you)化(hua)，倒置(zhi)PSCs有(you)望在效(xiao)率、穩(wen)定(ding)性(xing)與(yu)(yu)(yu)成本之間找到最佳(jia)平衡，推動鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)光伏(fu)技(ji)術向商(shang)業化(hua)邁出(chu)堅實一(yi)(yi)步。