倒置鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）仍然落后于傳統(tǒng)的PSCs，部分原因是載流子輸運效率低下和空穴輸運層（HTLs）形貌差。

在此，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所游經(jīng)碧研究員等人通過過氧化氫（H2O2）處理，優(yōu)化了[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸（Me-4PACz）在氧化鎳（NiOx）納米顆粒上的自組裝過程，使其更好的用作HTL，由于形成了Ni3+和用于鍵合的表面羥基，納米顆粒的分散更加均勻，并具有高導(dǎo)電性。

結(jié)果顯示，在掩膜尺寸為0.074 cm2的情況下，獲得了25.2%的認證PCE。同時，在約50℃的太陽光照射下，穩(wěn)定功率輸出運行1000小時后，該器件的PCE保持在初始PCE的85.4%；此外，在85℃下加速老化500小時后，該器件的PCE保持在初始PCE的85.1%?？讖矫娣e為14.65 cm2的微型模塊的PCE為21.0%。

相關(guān)文章以“Homogenized NiOx nanoparticles for improved hole transport in inverted perovskite solar cells”為題發(fā)表在Science上。

研究背景

經(jīng)認證，具有倒置（p-i-n）結(jié)構(gòu)的金屬鹵化物過氧化物太陽能電池（PSC）的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）高達24%，與效率更高的n-i-p結(jié)構(gòu)相比，在光和熱應(yīng)力下具有更好的長期穩(wěn)定性。然而，通常用作空穴傳輸層（HTL）的 2,4,6-三甲基苯胺（PTAA）等有機材料存在低導(dǎo)電性、疏水性和能級不匹配等問題。

最近，Me-4PACz、[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸（MeO-2PACz）系列等自組裝單層（SAM）已成功用于PSC，這些單層用于提高 PCE、解決穩(wěn)定性問題。然而，SAM與透明導(dǎo)電氧化物襯底（如氧化銦錫（ITO）和氟化物摻雜氧化錫（FTO）的鍵合可能不夠強，無法在襯底上形成均勻分布，從而避免廣泛的器件性能分布。 最近的幾項結(jié)果表明，p型氧化鎳（NiOx與ITO或FTO相比，可以與SAM層形成更強的化學(xué)鍵，并有助于沉積均勻的SAM，并可以進一步提供更好的器件性能和可重復(fù)性。

因此，高質(zhì)量的p型NiOx HTL需要結(jié)構(gòu)緊湊，以確保更好的SAM沉積質(zhì)量，減少界面、重組和高導(dǎo)電性。

研究內(nèi)容

本文開發(fā)了一種簡單的無摻雜劑方法，通過添加H2O2溶劑來調(diào)節(jié)NiOx納米粒子（NP）溶液。其中，H2O2的加入改善了NiOx NPs的分散性，避免了顆粒聚集而影響透明導(dǎo)電氧化物（TCO）基底的全面覆蓋。同時，這種方法還提高了NiOx中Ni3+的比例，形成了具有高導(dǎo)電性的穩(wěn)定成分NiOOH。在調(diào)控后的NiOx表面均勻形成的Me-4PACz SAM更有利于鈣鈦礦的生長，并通過減小接觸角均勻沉積大面積的鈣鈦礦，從而改善電荷萃取和降低漏電流。因此，基于調(diào)控NiOx和SAM雙層的器件展現(xiàn)出25.5%的創(chuàng)紀錄效率（認證穩(wěn)定效率：25.2%），且0.1 cm2大小的器件在50℃ AM1.5G光照下工作1000小時和在85℃連續(xù)熱應(yīng)力下工作 500小時后，初始效率分別保持了85.4%和85.1%。此外，14.65 cm2的大面積器件的PCE為 21%。

HTL層的合成與表征

經(jīng)過驗證，H2O2能夠與商業(yè)化NiOx NPs相互作用，并改善其在水性溶劑中的分散性。高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）顯示，對照組NiOx NPs呈聚集狀態(tài)，典型尺寸超過10 nm（圖 1A）。加入H2O2后，聚集現(xiàn)象被抑制，單粒尺寸也減小到約5 nm（圖 1B）。同時，動態(tài)光散射（DLS）證實，經(jīng)H2O2處理后，統(tǒng)計平均分散NP粒徑從12 nm減小到9 nm，粒徑分布更窄（圖 1C）。與H2O2反應(yīng)形成的水合NiOx很可能抑制了NiOx NP的聚集，提高了分散性，并減小了NPs的尺寸。

圖1. NiOx納米顆粒的表征

同時，使用開爾文探針力顯微鏡（KPFM）用于測量Me-4PACz在不同基底（分別為 FTO、FTO/對照NiOx和FTO/調(diào)控NiOx）上的表面電位分布（圖2A~C）。雖然Me-4PACz可以覆蓋大部分FTO基底，但也存在一些不均勻區(qū)域。在加入NiOx緩沖層后，SAM層的覆蓋更加均勻，這可能是PA基團與NiOx表面羥基之間通過強P-O-Ni或P=O-Ni鍵結(jié)合所致。不出所料，Me-4PACz幾乎完全均勻地組裝在FTO/調(diào)控NiOx基底上，這表明表面羥基較多的凝結(jié)均勻的NiOx層為高質(zhì)量SAM層的生長提供了更好的場所。

圖2. SAM層和NiOx/SAM層的表征

此外，還測量了接觸角，以研究不同表面的潤濕特性（圖3A~C）。純Me-4PACz基底上的鈣鈦礦前驅(qū)體的接觸角較大，達到39.8°，這與之前的報道一致，即在Me-4PACz表面沉積鈣鈦礦相對具有挑戰(zhàn)性。對照NiOx/Me-4PACz表面的接觸角降至27.4°，而調(diào)控 NiOx/Me-4PACz表面的接觸角進一步降至20.6°，這表明NiOx緩沖層為包晶生長提供了更好的潤濕性。其中，親水性的提高可能是由于形成了均勻的SAM或NiOx具有更多的羥基。作者還從襯底上剝離了與電荷傳輸層接觸的鈣鈦礦層，檢查了鈣鈦礦層埋藏表面的形態(tài)。結(jié)果顯示，僅在Me-4PACz表面沉積的薄膜沒有觀察到針孔等明顯的形貌缺陷，這可能是由于 Me-4PACz表面去濕所致（圖 3D）。在SAM和FTO之間插入NiOx層后，基底變得更致密，晶體也更均勻（圖3E~F）。

圖3. SAM和NiOx/SAM層的表面和電子特性

光伏特性

最后，作者制作了玻璃/FTO/NiOx/Me-4PACz/FAPbI3/PCBM/SnO2/Cu 結(jié)構(gòu)的器件，其中 PCBM是[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯。對于不含NiOx的基于Me-4PACz的器件，0.1 cm2照射面積的PCE為22.2%，VOC為1.11 V，JSC為26 mA/cm2，F(xiàn)F為77.1%。帶有NiOx層的器件的VOC和FF分別增至1.14 V和81.1%，PCE達到24.1%。對于基于H2O2調(diào)控的NiOx的 PSC，PCE高達25.6%，VOC為1.16 V，JSC為26.15 mA/cm2，F(xiàn)F為84.1%（圖 4A）。

圖4. 器件的光伏性能和穩(wěn)定性

綜上所述，自組裝分子被廣泛用于設(shè)計高效的倒置鈣鈦礦太陽能電池，不均勻的SAM可能會導(dǎo)致漏電和重組，從而限制了器件的性能和可重復(fù)性。本文加入了均勻的NiOx納米顆粒，實現(xiàn)了更好的SAM生長，在此空穴選擇層的基礎(chǔ)上，在小尺 PSCs中獲得了25.2%的效率和在14.6 cm2模塊中獲得了21%的效率，并且器件展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。同時，通過優(yōu)化埋層和頂層表面，可以進一步提高器件的性能，沉積更均勻的鈣鈦礦層將有助于進一步提高模塊器件的性能，雙層HSL不僅可用于太陽能電池，還可用于其他光電器件，如發(fā)光二極管和光電探測器等。

Shiqi Yu?, Zhuang Xiong?, Haitao Zhou, Qian Zhang, Zhenhan Wang, Fei Ma, Zihan Qu,Yang Zhao, Xinbo Chu, Xingwang Zhang, Jingbi You*, Homogenized NiOx nanoparticles for improved hole transport in inverted perovskite solar cells, Science (2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8858