×

【组内研报】Nature Communications|利用双边键强度平衡策略稳定埋藏界面,实现高效钙钛矿光伏

wang wang 发表于2026-04-18 22:44:03 浏览4 评论0

抢沙发发表评论

【组内研报】Nature Communications|利用双边键强度平衡策略稳定埋藏界面,实现高效钙钛矿光伏

组内研报

Original Research

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63389-z

核心摘要
反式（p-i-n）结构钙钛矿太阳能电池中，NiOx/钙钛矿埋藏界面仍受到缺陷辅助的非辐射复合、界面化学反应及附着力不足等问题的制约。本工作提出一种双边键合强度平衡策略，通过官能团设计与空间构象工程协同调控界面相互作用。引入1-(苯并噻唑-2-基硫基)琥珀酸（BTSA）分子，其通过S原子、π共轭结构及N原子与NiOx表面形成多重配位作用，并诱导苯并噻唑环平行排列，从而实现界面缺陷的协同钝化并优化空穴传输。该策略有效抑制界面非辐射复合与化学反应，同时提升NiOx薄膜的电学性能。基于此构建的1.53 eV器件实现了26.98%的最高效率（认证效率26.65%），大面积组件（764 cm²）效率达到21.98%，为高效稳定钙钛矿光伏器件提供了新思路。
河北工业大学层状材料与器件研究团队于2025年9月在国际权威期刊Nature Communications上在线发表了题为“Stabilizing buried interface by bilateral bond strength equilibrium strategy toward efficient perovskite photovoltaics”的重磅研究性论文。通讯作者为河北工业大学陈聪教授,昆明理工大学陈江照，澳门科技大学唐建新，阜阳师范大学张甲甲，常 州 捷 佳 创 Sheng Jiang。
01
研究背景
倒置钙钛矿太阳能电池因其优异的稳定性和效率提升潜力而备受关注。然而，NiOx/钙钛矿埋藏界面存在缺陷辅助的非辐射复合、界面化学反应及附着力差等问题，限制了器件的长期稳定性与效率进一步提升。现有自组装分子虽能部分改善界面性能，但其与NiOx和钙钛矿之间的双边键强不匹配，难以同时实现高效钝化和稳定界面。因此，发展一种能够平衡双边键合强度、同步钝化界面缺陷并抑制化学反应的分子设计策略，对于实现高效稳定的钙钛矿光伏器件具有重要意义。
02
研究方法
该研究提出了一种双边键强平衡策略，通过设计具有多官能团的1-(苯并噻唑-2-基硫基)琥珀酸（BTSA）分子，对NiOx/钙钛矿埋藏界面进行系统调控。BTSA分子通过苯并噻唑环中的S原子、π环和N原子与NiOx表面形成强吸附，使分子构象平行于NiOx表面，同时其末端羧基可与钙钛矿底部的未配位Pb²⁺缺陷形成配位，从而实现双边缺陷的同步钝化。结合密度泛函理论计算，研究团队系统评估了BTSA与NiOx和钙钛矿的结合能差异，揭示了其在钝化效果和界面稳定性方面的优势。此外，通过XPS、KPFM、PL、TRPL、TPC/TPV等手段，深入分析了BTSA对NiOx电学性能、界面能级匹配、载流子动力学及器件稳定性的影响。最终，BTSA修饰显著提升了器件效率与稳定性，验证了双边键强平衡策略的有效性。
03
图文解析

图1：修饰剂与NiOx和钙钛矿相互作用的理论研究

  • 通过DFT计算比较三种分子与NiOx和钙钛矿的结合能：BTSA具有最小的结合能差异，表明其双边键强最均衡。并且BTSA通过苯并噻唑环平行吸附在NiOx表面，有利于电荷转移和缺陷钝化。

图2：NiOx薄膜的电学性能及界面化学反应的研究

  • BTSA调控后，Ni3+含量从33.5%提升至46.2%，增强了NiOx层的p型导电性；并且显著抑制NiOx与FAI之间的界面氧化还原反应，从而增强了界面稳定性。

图3：钙钛矿薄膜质量及界面载流子动力学的表征

  • 通过SEM、PL、TRPL、SCLC等测试证实基于BTSA调控的钙钛矿薄膜与器件的缺陷密度显著降低。

图4：光伏性能与稳定性

  • BTSA修饰器件实现了26.98%的效率（认证26.65%），为真空闪蒸法PSCs的最高效率，且大面积模块（764 cm2）效率达21.98%。BTSA修饰器件在2000小时MPP追踪后仍保持93.4%初始效率，热稳定性和空气存储稳定性均显著优于对照组。
04
总结与展望
  • 策略创新：提出双边键强平衡策略，通过分子构象与官能团设计实现对NiOx和钙钛矿埋藏界面的协同钝化；
  • 性能突破：实现了26.98%的单节电池效率和21.98%的大面积组件效率，均为同类方法中的领先水平；
  • 机制深入：结合DFT与多尺度表征，揭示BTSA在钝化缺陷、抑制反应、调控能级与提升导电性方面的多路径协同作用；
  • 未来展望：该策略为钙钛矿光伏界面工程提供了新思路，未来有望拓展至宽带隙、叠层器件及大面积产业化应用，推动高效稳定钙钛矿光伏技术的实用化进程。

团 队 介 绍

河北工业大学层状材料与器件团队自2019年成立以来，形成“厚积成材、循层渐进”的教育理念，培养了大批青年人才和优秀学子，荣获河北省高校首批黄大年式教师团队等荣誉称号。研究团队所在的材料学科是河北工业大学“世界一流学科”的三个支撑学科之一，团队拥有结构材料（3D打印、熔炼、轧制、热处理、力学性能测试等设备）和功能材料（真空磁控溅射系统、多层软包电池生产线、光伏组件制备系统等）完整制备平台，以及球差校正透射电子显微镜、原位样品杆以及双束加工系统、光伏组件表征系统等先进分析测试平台。团队累计发表Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Acta Materialia等高水平期刊论文100多篇，授权发明专利10余项，获批国家自然科学基金（青年科学基金项目（A类）、区域联合重点项目、面上项目、青年基金）、河北省自然科学基金（重点项目、青年项目）、中央引导地方项目等30余项，承担河钢集团、中伟新材料股份有限公司等企业项目20余项。

本文推送内容基于河北工业大学层状材料与器件团队已发表的研究成果整理而成，相关论文已正式发表于【Nature Communications】。本文仅对论文核心内容进行简要介绍与解读，旨在促进学术交流与成果传播。受篇幅及表述方式所限，相关内容未能完全覆盖论文全部细节，具体研究方法与结果请以论文原文为准。论文版权归期刊或出版社所有。欢迎转载与分享本文推送内容，请在显著位置注明出处并保留原文链接。感谢您的关注与支持，让我们共同助力材料学科的发展。

图文供稿 | 丁济可

本期编辑 | 鲍佳姚

内容审核 | 陈   聪