論文概覽

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(ji)術亮(liang)點(dian)

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。

研究意義

? 突破效率瓶頸：實現26.59%的高效率，為倒置PSCs的性能(neng)(neng)提(ti)(ti)升(sheng)提(ti)(ti)供新路(lu)徑。? 提(ti)(ti)出(chu)分子橋接新策略：為SAM/鈣鈦礦界面工程提(ti)(ti)供多功能(neng)(neng)分子設計范式。? 兼顧(gu)性能(neng)(neng)與穩定性：在提(ti)(ti)升(sheng)效率的同時顯著增強器件長(chang)期運(yun)行可靠性。? 推動產業(ye)化(hua)應(ying)用：溶液法制(zhi)備(bei)兼容(rong)性強，具備(bei)規(gui)模化(hua)應(ying)用潛力。

深(shen)度(du)精度(du)

圖1：4Br-BPA分子結構及其界面調控機制

該圖(tu)系統展示(shi)了(le)4-溴芐基膦酸（4Br-BPA）分(fen)(fen)子的化學(xue)結(jie)構及其(qi)在(zai)(zai)鈣鈦礦太(tai)陽能(neng)電池中的多功能(neng)界面調控作(zuo)用。通(tong)過DFT計算證(zheng)實4Br-BPA與鈣鈦礦的吸附能(neng)高達-3.74 eV（圖(tu)1b），而(er)1H NMR譜（圖(tu)1c）中FAI與4Br-BPA混合(he)后特(te)征峰(feng)位(wei)移(yi)（7.88→8.67 ppm）揭示(shi)了(le)氫鍵相(xiang)互作(zuo)用。XPS分(fen)(fen)析（圖(tu)1d）顯示(shi)4Br-BPA處理使Pb 4f結(jie)合(he)能(neng)降(jiang)低0.34 eV，表明其(qi)通(tong)過電子轉移(yi)有效鈍(dun)化鉛空位(wei)。UV-Vis光譜（圖(tu)1e）中360 nm處π-π*躍遷(qian)峰(feng)的紅移(yi)證(zheng)實了(le)4Br-BPA與Me-4PACz的π-π堆(dui)疊，而(er)C 1s XPS（圖(tu)1f）中288-294 eV區間的信(xin)號(hao)增強(qiang)進(jin)一(yi)步驗證(zheng)了(le)這種相(xiang)互作(zuo)用。P 2p XPS（圖(tu)1g）的雙峰(feng)分(fen)(fen)解表明4Br-BPA優先錨(mao)定(ding)在(zai)(zai)NiOx表面，其(qi)分(fen)(fen)子密度(du)達4.77×1013 cm?2（圖(tu)1h），比對照組提升21%，顯著(zhu)改善了(le)界面覆(fu)蓋(gai)率(lv)和電荷(he)傳輸效率(lv)。

圖2：界面電荷傳輸與能級調控

該(gai)圖(tu)(tu)通過(guo)多尺度表征揭示了4Br-BPA對電荷(he)(he)傳輸(shu)(shu)動力(li)學和能(neng)級排(pai)列的優化作用。導(dao)電原子力(li)顯微鏡（圖(tu)(tu)2g-h）測得界面(mian)電流從74.56 pA增(zeng)(zeng)至91.87 pA，與電導(dao)率提升33%（1.08×10?? S cm?1）的結果一致。UPS分析（圖(tu)(tu)2i）表明4Br-BPA使NiOx/Me-4PACz價帶從-5.28 eV下移至-5.47 eV，與鈣鈦礦價帶（-5.45 eV）形成完美匹配。差分電荷(he)(he)密度分析（圖(tu)(tu)2j-k）顯示4Br-BPA處(chu)理(li)顯著降低(di)了界面(mian)電荷(he)(he)積累，而Ni 2p XPS（圖(tu)(tu)2l）中(zhong)Ni3?/Ni2?比例從0.87增(zeng)(zeng)至1.03，證實了空穴傳輸(shu)(shu)能(neng)力(li)的增(zeng)(zeng)強。

圖3：鈣鈦礦結晶與缺陷調控

該圖(tu)全(quan)面解析了4Br-BPA對鈣鈦礦薄膜(mo)結晶質量和(he)缺陷態(tai)(tai)的影響機(ji)制。掠入(ru)射(she)XRD（圖(tu)3d-f）證(zheng)(zheng)實4Br-BPA使鈣鈦礦殘(can)余(yu)應力從15.69 MPa降(jiang)至-1.50 MPa。穩(wen)態(tai)(tai)/瞬態(tai)(tai)PL（圖(tu)3g-h）顯示載(zai)流(liu)子壽(shou)命(ming)從6.13 μs延長(chang)至8.08 μs，PL mapping（圖(tu)3i）強度均勻性提(ti)升(sheng)。空(kong)間(jian)電荷限制電流(liu)測試（圖(tu)3j）測得陷阱(jing)密(mi)度降(jiang)低14%（2.79×101? cm?3），瞬態(tai)(tai)吸(xi)收光譜（圖(tu)3l-n）顯示載(zai)流(liu)子復合壽(shou)命(ming)從944.97 ps縮短至806.06 ps，證(zheng)(zheng)實了缺陷鈍化和(he)電荷提(ti)取效(xiao)率的同步提(ti)升(sheng)。

圖4：器件性能與穩定性驗證

該圖展示(shi)了4Br-BPA界面工程對(dui)器件光伏(fu)性能和穩(wen)定(ding)性的全面提(ti)升。電化學阻抗(kang)譜（圖4f）顯(xian)示(shi)復合電阻增(zeng)大，而光強(qiang)依賴Voc測(ce)試（圖4g）證(zheng)實理想因子從(cong)1.73降(jiang)至1.31 kBT/q。瞬態(tai)光電壓(ya)衰(shuai)減（圖4h）顯(xian)示(shi)載(zai)流子壽(shou)命延長至8.69 μs，穩(wen)態(tai)輸出（圖4e）在400秒內保(bao)持(chi)(chi)26.22%效率。加速老(lao)化測(ce)試（圖4i-j）顯(xian)示(shi)器件在1400小時連續光照后保(bao)持(chi)(chi)90%初始效率，在30%濕度(du)環境中1200小時穩(wen)定(ding)性較對(dui)照組提(ti)升29%，充(chong)分(fen)(fen)驗證(zheng)了4Br-BPA分(fen)(fen)子橋的多(duo)功能界面穩(wen)定(ding)作用。

結(jie)論展望

本研究通過引入4Br-BPA分(fen)(fen)子(zi)橋(qiao)接層，成功實(shi)現(xian)了(le)倒(dao)置(zhi)鈣(gai)鈦(tai)礦太陽能電(dian)池界面(mian)的(de)多功能協同優化，最終獲得26.59%的(de)高效(xiao)率(lv)與(yu)(yu)卓越的(de)長期(qi)穩定(ding)性。該工作(zuo)不(bu)僅為SAM/鈣(gai)鈦(tai)礦界面(mian)工程提供(gong)了(le)新(xin)材料與(yu)(yu)新(xin)策略，也為未來(lai)高性能、高穩定(ding)性鈣(gai)鈦(tai)礦電(dian)池的(de)設計與(yu)(yu)產業化提供(gong)了(le)重要(yao)理論(lun)與(yu)(yu)實(shi)踐基(ji)礎。隨著(zhu)分(fen)(fen)子(zi)界面(mian)工程的(de)進一(yi)步發展與(yu)(yu)工藝優化，倒(dao)置(zhi)PSCs有望(wang)在效(xiao)率(lv)、穩定(ding)性與(yu)(yu)成本之間找到最佳平(ping)衡，推動鈣(gai)鈦(tai)礦光(guang)伏(fu)技術向商業化邁(mai)出堅實(shi)一(yi)步。