定制的NiO x介孔框架：推动界面工程发展，以实现耐用且高效的反式钙钛矿太阳能电池

《Nano Energy》：Tailored NiO x Mesoporous Frameworks Driving Interface Engineering Towards Durable and Efficient Inverted Perovskite Solar Cells

本文提出一种基于溶胶-凝胶法制备的NiO_x多孔介面策略，结合自组装单层（SAMs）提升介面接触与电荷传输效率，使钙钛矿太阳能电池最高转换效率达26.52%，并通过Python/OpenCV辅助的孔结构分析优化了介面性能，同时验证了其在宽带隙和大规模制造中的适用性。

　　

沈贵斌|乔子进|赵学峰|李一怡|张建军|黄一淮|蔡青斌|方龙|李欣|穆成

中国人民大学化学与生命资源学院化学系，北京 100872，中国

摘要

倒置钙钛矿太阳能电池（IPSCs）的性能和稳定性在很大程度上取决于空穴传输层（HTL）的界面质量，而这一质量往往限制了电荷提取和长期可靠性。本文报道了一种基于介孔NiO_x的界面策略，该策略将溶胶-凝胶衍生的支架与自组装单层（SAMs）结合使用，以实现高效且稳定的IPSCs。NiO_x的介孔结构由Pluronic P123/F127嵌段共聚物模板化形成，形成了可调的多孔网络，从而改善了界面接触和电荷传输。利用Python/OpenCV辅助的图像分析对孔隙形态进行了分类，确定中等大小的孔隙（20–80纳米）为最佳选择。基于中等孔隙NiO_x的器件表现出增强的载流子提取能力、降低的陷阱密度，以及26.52%的功率转换效率（PCE）（经认证为26.20%），这是迄今为止报道的基于NiO_x/SAM的IPSCs中最高的效率之一，同时还具有良好的热稳定性和环境稳定性。此外，该策略适用于宽带隙钙钛矿（1.62和1.67电子伏特）和大面积器件（1.2平方厘米），展示了界面设计的广泛兼容性和可扩展性。这些发现为高效且耐用的钙钛矿光伏技术提供了一条实用途径。

引言

钙钛矿太阳能电池由于其出色的光电性能和多样的应用潜力，已成为下一代光伏研究中的重要突破。[1],[2],[3],[4],[5],[6] IPSCs特别具有吸引力，因为它们具有高效率、低滞后、可扩展的制造工艺以及与柔性及串联架构的兼容性。[1],[7],[8],[9],[10],[11],[12] 在决定IPSC性能和稳定性的关键因素中，底部HTL在空穴提取、能量对齐和钙钛矿薄膜形成方面起着关键作用。此外，HTL还应具有优异的光学透射率，并保持内在和界面稳定性，以提高太阳能电池的整体效率和耐用性。[13],[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24]

SAM材料最近因其作为超薄HTL的能力而受到广泛关注，它们通过密集的分子排列最小化了寄生吸收并抑制了界面复合。[7],[25],[26],[27],[28],[29],[30] 这使得IPSCs的认证PCE超过了26%。[4],[31],[32] 尽管有这些优势，SAM薄膜通常表现出较差的润湿性和有限的界面接触，这阻碍了钙钛矿的均匀结晶，并对器件制造的可扩展性构成了挑战。[33],[34] 此外，它们对热和湿度引起的降解敏感，从而影响了IPSCs的长期运行稳定性。[6] 为了应对这些问题，已经探索了多种化学策略，包括偶极工程和锚定基团替换。例如，Chen等人通过将[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸（Me-4PACz）的甲基替换为苯环来增强其性能，从而增加了偶极矩，提高了PCE。[35] Wu等人研究了不同的锚定基团，发现膦酸基团与ITO基底的结合亲和力最强，增强了电连接性。[36] Albrecht等人发现SAMs中的甲基替换增强了界面钝化，促进了更有效的空穴提取。[37] Sargent等人通过将3-巯基丙酸引入[2-(9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸（2PACz）中，减少了界面复合并提高了IPSCs在恶劣条件下的效率。[34]

除了基于SAM的材料外，NiO_x也因其优异的化学稳定性、高的空穴迁移率和宽带隙而成为IPSCs的HTL的候选材料。[7],[29],[38] 将NiO_x薄膜与SAM中间层结合的协同方法正受到关注。[23],[29],[39],[40],[41],[42] 例如，You等人在沉积Me-4PACz之前将过氧化氢引入NiO_x纳米颗粒中，显著提高了PCE性能，并在长时间热条件下保持了良好的运行稳定性。[42] 同样，Zhu等人开发了一种创新的SAM材料MeO-4PADBC，它与NiO_x形成了牢固的键合。[23] 然而，控制NiO_x的形态和分布仍然存在重大挑战，常常导致颗粒聚集或在基底上分布不均匀的问题。即使与SAM材料结合后，这些问题仍然存在。为了解决这个问题，借鉴n–i–p介孔PSCs的思路，引入了介孔NiO_x支架，以改善界面接触并促进钙钛矿的渗透。[43],[44],[45] 尽管如此，表面缺陷和低效的电荷传输仍然限制了器件性能。此外，对界面微观结构如何影响器件行为的全面理解仍不完整。为了填补这一空白，机器视觉技术为将形态特征与器件特性相关联提供了有价值的工具。特别是基于Python/OpenCV的扫描电子显微镜（SEM）图像分析，能够实现对界面结构的高通量、定量评估。[46],[47]

在这项工作中，我们报道了一种基于介孔NiO_x的界面工程策略，该策略提高了倒置钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。M-NiO_x支架是通过使用Pluronic P123和F127嵌段共聚物的二元混合物作为结构导向剂，采用溶胶-凝胶方法制备的，形成了连续的多孔网络。这种结构增加了界面接触面积，促进了更均匀的钙钛矿结晶，从而提高了薄膜质量。此外，介孔表面为后续沉积Me-4PACz提供了理想的平台，增强了表面润湿性，并在HTL/钙钛矿界面处实现了有利的能级对齐。为了定量评估孔隙结构，我们开发了一种基于Python/OpenCV的图像分析工作流程，确定中等大小的孔隙（20–80纳米）是最优选择，以平衡支架的完整性和界面功能。基于M-NiO_x+Me-4PACz的器件实现了26.52%的PCE，同时减少了非辐射复合、降低了陷阱密度，并具有出色的热/环境稳定性。该策略还展示了在大面积器件（1.2平方厘米）和宽带隙钙钛矿（1.62和1.67电子伏特）上的优异可扩展性，为高性能HTL在钙钛矿光电子学中的可扩展集成提供了一条通用途径。

结果与讨论

如图1a所示，混合HTL的制备包括依次沉积溶胶-凝胶衍生的介孔NiO_x，然后旋涂Me-4PACz，形成了支持后续钙钛矿结晶的优化界面框架。为了了解这种结构对表面润湿性的影响，进行了接触角测量（图1b）。原始的ITO和M-NiO_x表面表现出亲水性，而涂有Me-4PACz的ITO则变得高度疏水。

结论

在这项工作中，我们通过将溶胶-凝胶衍生的介孔NiO_x支架与Me-4PACz自组装单层结合，建立了一种通用的倒置钙钛矿太阳能电池界面工程策略。通过精确调节Pluronic P123和F127的胶束形成比例，我们实现了可控的孔隙结构，通过Python/OpenCV引导的图像分析确定中等大小的孔隙（约20–80纳米）为最佳选择。这种介孔框架不仅改善了钙钛矿的性能

CRediT作者贡献声明

赵学峰：撰写 – 审稿与编辑、软件、形式分析、数据管理。乔子进：撰写 – 审稿与编辑、软件、资源获取、研究、数据管理。沈贵斌：撰写 – 原始草稿、资源获取、方法论、研究、资金获取、数据管理、概念构思。穆成：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、研究、资金获取、概念构思。李欣：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、方法论

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

G.S.和Z.Q.对本文的贡献相当。这项工作得到了国家能源绿色氢能研发中心、中央高校基本科研业务费、中国人民大学科研经费（项目编号20XNH059）、国家自然科学基金（项目编号62304082）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2024A1515110044）以及国家重点研发计划的支持

沈贵斌是新加坡南洋理工大学（NTU）的博士后研究员。他获得了郑州大学的化学学士学位，并在中国人民大学完成了物理化学博士学位，同时在新加坡国立大学（NUS）进行了联合博士培训。他的研究专注于用于卫星和太空应用的钙钛矿和串联太阳能电池，包括界面工程、封装和可靠性研究