复旦大学、上海交大、南理工三校合作，最新Nature，破纪录！

在全球迈向“无铅化光伏”的浪潮中，锡基钙钛矿太阳能电池（TPSCs）被视为最具潜力的环保替代方案。相比传统的铅基器件，锡基钙钛矿拥有理想带隙、理论光电转换效率可超33%，同时避免了铅污染风险。然而，这条“绿色”道路并不平坦，长期以来，研究者面临着器件效率和稳定性“双低”的困境。尤其是在倒置结构TPSCs中，常用的空穴传输层（HTL）如PEDOT:PSS酸性强、易吸湿，不仅加速锡离子氧化，还严重削弱器件寿命。尽管NiOx因稳定性更优被寄予厚望，但其能级失配、界面氧空位和红氧反应仍使空穴提取效率受限，成为制约性能提升的关键瓶颈。

今日，复旦大学梁佳研究员联合上海交通大学戚亚冰教授和南京理工大学徐勃教授共同设计出一种全新的界面分子修饰策略，通过在NiOx表面引入有机分子MBP，实现了能级匹配、空穴高效传输与界面均一化三重突破。该策略使倒置结构锡基电池效率首次突破17.9%（认证值17.71%），刷新国际纪录，并在1 cm²器件上实现14.4%高效输出，兼具稳定运行与规模化潜力。这一成果标志着无铅钙钛矿电池迈入高性能实用化新阶段。相关成果以“Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface”为题发表在《Nature》上，第一作者为Tianpeng Li。

分子界面设计：从不均到“同质化”

研究的第一步，是让“界面变得平滑可控”。团队以2PACz为参照，合成了两种新型分子MBC与MBP，通过在NiOx上形成自组装分子膜（SAMs），调控能级排列与表面润湿性。原子力显微镜（图1a）显示，NiOx/MBP的表面粗糙度仅1.87 nm，显著低于传统2PACz（6.04 nm），分子分布均匀且无团聚。同步的KPFM测试与分子动力学模拟进一步证明——MBP可在NiOx表面形成连续、致密的“分子毯”，有效消除界面空隙。能级分析揭示，MBP修饰后NiOx的HOMO从−5.14 eV抬升至−4.95 eV，与锡基钙钛矿价带顶（−5.10 eV）高度匹配（图1d），空穴提取势垒显著降低。时间分辨光致发光（TRPL）结果亦证实（图1f），NiOx/MBP体系下的载流子寿命最短、非辐射复合最弱——这意味着空穴传输更快、界面损失更低。理论计算显示，MBP与NiOx间的吸附能达−2.71 eV，远高于2PACz（−1.34 eV），体现出强界面键合与电荷耦合能力（图1g）。可以说，MBP在纳米尺度上实现了真正的“界面同质化”，为后续高质量薄膜生长奠定了基础。

图1 ：均一分子膜实现能级匹配与高效空穴传输

超润湿底层：让锡基膜生得更完美

有了理想界面，接下来要解决的是薄膜成核与生长。MBP层不仅提供能级匹配，更形成了“超润湿”底层：水接触角从NiOx的60.1°提升至82.3°，而锡基前驱体溶液的接触角降至不足10°（图2a），即表现出对前驱体“亲和”而对水“抗拒”的双重特性。这种界面性质让锡基钙钛矿晶粒在NiOx/MBP表面更易均匀铺展生长。扫描电镜结果显示（图2b–d），在NiOx上沉积的锡基膜存在大量针孔，而在NiOx/MBP体系中表面致密、平滑，无明显缺陷。横截面（图2e–g）更进一步证实了无空洞界面的形成。X射线衍射应力分析（图2h）揭示，MBP界面可有效释放压缩应力，使晶体残余应力几乎为零——应变均匀、晶格匹配更好。这种“柔性贴合”机制显著抑制了缺陷生成，也让薄膜结构更稳定。

图2：超润湿底层促进致密锡基薄膜生长

高纯相与高均一：界面缺陷被彻底驯服

锡基电池的稳定性往往取决于晶体纯度与界面缺陷密度。研究团队利用GIWAXS（图3a）发现，NiOx/MBP下的钙钛矿薄膜呈现出最清晰、最强烈的衍射斑点，表明晶粒取向与结晶度最高。XPS结果进一步证实Sn⁴⁺比例最低（图3e），说明锡氧化被有效抑制。此外，光致发光量子效率（PLQY）达4.5%，准费米能级分裂（QFLS）高达1.02 eV（图3f–g），均为当前锡基体系中领先水平。表面形貌（图3h）平滑均匀，PL Mapping分布（图3i）亮度一致，反映薄膜电荷分布均匀、载流子传输路径连续。简言之，MBP让锡基薄膜从“微观不稳”变成“高度秩序”，在界面层面实现能量损失最小化。

图3 ： 高结晶纯度与低缺陷界面

器件性能：17.89%刷新纪录，稳定运行1550小时

最终，团队制备了ITO/NiOx（或NiOx/MBP）/锡基钙钛矿/ICBA/BCP/Ag结构的倒置器件（图4a）。相比传统NiOx器件（PCE 13.0%），NiOx/MBP器件在各项参数上全面提升：开路电压0.99 V、短路电流密度22.48 mA·cm⁻²、填充因子80.7%，综合效率达17.89%（图4b）。由中国光伏行业计量测试中心（NPVM）认证的反扫效率为17.71%（图4c），创下锡基电池最高纪录（图4d）。更令人惊喜的是稳定性：密封样品在自然环境下静置1344小时后仍保留95%初始效率（图4g）；在1太阳连续照射1550小时后依然保持94.7%（图4h），远优于PEDOT:PSS体系。对于1 cm²大面积电池，NiOx/MBP方案仍能实现14.4%高效输出，展现出优异的可扩展性。EIS测试表明界面电阻最低、载流子复合最弱（图4f），进一步印证了界面均一化策略的有效性。

图4：器件性能与稳定性全面突破

总结与展望

本研究不仅刷新了锡基钙钛矿电池的世界纪录，也开辟了一条可持续的“无铅光伏”新路线。通过分子设计实现埋界面同质化（homogeneous buried interface），研究团队首次将NiOx空穴层的潜能充分释放，构建出兼具高效率与长寿命的环保钙钛矿体系。未来，这一策略有望推广至其他无铅材料与叠层电池，为低毒、高稳定光伏器件的产业化提供坚实支撑。

来源：高分子科学前沿

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