缺陷钝化型稠密吲哚咔唑自组装单分子层助力高效倒置钙钛矿太阳能电池实现26.1%以上效率

《Small》：Defect-Passivating and Dense Indolocarbazole-Based Self-Assembled Monolayers for Efficient Inverted Perovskite Solar Cells With over 26.1% Efficiency

本文报道了一种新型吲哚咔唑（ICz）基自组装单分子层（SAM）材料，通过调控氮原子位置与锚定基团数量，显著提升了NiOx基倒置钙钛矿太阳能电池（IPSC）的性能。其中单膦酸锚定的M3PAICz-1在表面润湿性、薄膜均匀性、能级排列与缺陷钝化方面表现最优，使1.55 eV带隙器件效率达26.12%，宽带隙（1.68 eV）器件效率达22.19%，并展现出优异的空气稳定性，为高效稳定钙钛矿器件设计提供了新思路。

　　

引言

钙钛矿太阳能电池（PSC）作为光伏领域的前沿技术，其实验室效率已接近27.0%。倒置（p-i-n）结构PSC（IPSC）因其低温工艺、稳定性好、滞后效应弱等优势备受关注。在IPSC中，NiO_x/SAM双空穴传输层（HTL）可抑制界面反应并提升空穴提取效率，但商用SAM材料（如2PACz）存在表面覆盖度低、分布不均、缺陷钝化能力不足等问题。吲哚咔唑（ICz）单元因其强分子间相互作用和扩展π共轭体系，有望优化SAM性能。然而，氮原子位置与锚定基团数量对器件性能的协同影响尚不明确。

分子设计与表征

研究团队设计并合成了四种ICz基SAM材料（D3PAICz-1、M3PAICz-1、D3PAICz-2、M3PAICz-2），通过调控氮原子位置（间位/对位）与锚定基团数量（单/双膦酸）系统研究其性能。单晶结构分析表明，5,12-ICz单元（M3PAICz-1与D3PAICz-1）的π-π堆叠更紧密，分子排列更有序。DFT计算显示，双锚定SAM易因膦酸基团间强氢键聚集，而单锚定SAM通过N-H与膦酸基团的弱氢键减少团聚，形成更均匀的薄膜。动态光散射（DLS）与原子力显微镜（AFM）证实M3PAICz-1在NiO_x表面形成最平滑的覆盖层（RMS粗糙度2.14 nm）。

界面性质与能级调控

X射线光电子能谱（XPS）显示SAM修饰后NiO_x的Ni³⁺/Ni²⁺比值升高，电导率提升。通过DFT与紫外光电子能谱（UPS）分析，M3PAICz-1具有最大偶极矩（3.10 D）与最深HOMO能级（-5.39 eV），使NiO_x/M3PAICz-1衬底功函数增至5.00 eV，优化了空穴提取能垒。开尔文探针力显微镜（KPFM）进一步表明M3PAICz-1的接触电位差分布最窄，利于界面电荷传输。

缺陷钝化与薄膜质量

DFT计算显示M3PAICz-1与钙钛矿（FAPbI₃）的吸附能最强（-0.53 eV），其N-H基团可通过氢键有效钝化碘空位。XPS与傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实N-H与I^?的键合作用，降低非配位Pb²⁺缺陷。空间电荷限制电流（SCLC）测试表明M3PAICz-1器件的陷阱密度最低（2.92×10¹⁵cm^?2）。扫描电子显微镜（SEM）与X射线衍射（XRD）显示M3PAICz-1上沉积的钙钛矿晶粒更大（723 nm）、结晶性更优，埋底界面无PbI₂残留。

器件性能与稳定性

基于1.55 eV带隙钙钛矿的IPSC中，NiO_x/M3PAICz-1器件获得26.12%的冠军效率（V_OC=1.180 V，J_SC=26.18 mA/cm²，FF=84.60%），稳态输出效率达25.05%。宽带隙（1.68 eV）器件效率达22.19%。电化学阻抗谱（EIS）与时间分辨光致发光（TRPL）证明M3PAICz-1器件具有更高的复合电阻与更快的空穴提取速率（τ_ave=158.3 ns）。未封装器件在空气环境（20±5°C，35±5% RH）中存储1000小时后，M3PAICz-1器件仍保持87.3%的初始效率，稳定性显著优于双锚定SAM器件。

结论

本研究通过分子结构调控开发出高性能ICz基SAM材料，阐明锚定基团数量与氮原子位置对薄膜质量、能级排列及缺陷钝化的协同作用。M3PAICz-1凭借其密集分子排列、深能级与强钝化能力，为高效稳定钙钛矿太阳能电池的空穴传输层设计提供了新范式。