Chemical Engineering Journal
刊发MODS团队关于NiO在SAM组装中微观作用机理的研究成果
导读
2024年6月18日，Chemical Engineering Journal在线刊发了华中科技大学唐江教授领衔的单片集成光电子器件与系统团队（MODS）题为《Role of NiO in Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells Based on Self-Assembled Monolayers》的研究论文。论文第一作者为张阿飞博士，通讯作者为唐江教授、陈超副教授和宋海胜教授。论文第一单位为华中科技大学。
研究背景
自组装分子（SAMs）因其空穴选择性高、空穴传输速率快、低界面陷阱态密度等优势，已成为目前高效单结和串联叠层太阳能电池中空穴传输层的主流选择。但由于SAMs与ITO基底之间面临结合力弱、浸润性差、覆盖不均匀、热稳定性较差等问题，从而在制备高稳定性和大面积均匀性器件存在挑战。NiO/SAMs双空穴传输层可以有效缓解上述问题，并取得了显著进展，然而NiO在SAMs组装过程中的潜在微观作用机制有待进一步明晰。
研究内容及结果
研究团队以Me-4PACz为例，系统的揭示了NiO/Me-4PACz双空穴传输层中NiO的作用机制。首先，基于晶体结构分析，发现相比于ITO基底NiO表面暴露较少的晶面类型和更高的金属原子密度，表明NiO更具有形成均匀致密Me-4PACz薄膜的结构基础。其次，通过粗糙度和表面电势表征，发现NiO纳米晶可以使粗糙的ITO基底“平面化”，且形成更加均匀的Me-4PACz薄膜。然后，结合加热和真空辅助实验，验证NiO上羟基的结合力比ITO基底上的结合力强得多，这为Me-4PACz提供了更牢固的结合位点。基于上述三方面，采用真空辅助法制备的宽带隙(~1.77 eV)钙钛矿太阳能电池实现了19.55%的光电转换效率。这些发现不仅加深了对SAMs组装的理解，而且为改善钙钛矿太阳能电池稳定性和大面积生产提供了重要的指导。
图1. ITO和NiO薄膜的晶面性质。（a）ITO薄膜的X射线衍射谱。（b）ITO薄膜表面暴露的晶面类型。（c）ITO晶面金属原子密度统计图。（d）NiO薄膜的X射线衍射谱。（e）NiO薄膜表面暴露的晶面类型。（f）NiO晶面金属原子密度统计图。
图2. ITO和NiO薄膜的表面形貌及Me-4PACz分布。（a−b）ITO的表面形貌及截面轮廓示意图。（c）ITO/Me-4PACz的KPFM图像。（d−e）ITO/NiO的表面形貌及截面轮廓示意图。（f）ITO/NiO/Me-4PACz的KPFM图像。（g）ITO/Me-4PACz的截面生长模型。（h）ITO/NiO的截面生长模型。（i）ITO/NiO/Me-4PACz的截面生长模型。
图3. 宽带隙钙钛矿薄膜的光电性质。（a）紫外光电子能谱。（b）宽带隙钙钛矿器件能级结构。（c）稳态荧光光谱。（d）时间分辨荧光光谱。
图4. 宽带隙钙钛矿器件性能。（a）器件截面电子显微镜图。（b）器件效率统计图。（c）冠军器件正反扫描的J−V曲线。（d）器件的外量子效率曲线。（e）器件的储存稳定性统计图。（f）1 cm2器件的J−V曲线和实物照片。
致谢
该工作得到国家自然科学基金委、光谷实验室创新工程和广东省制造装备数字化重点实验室的支持。感谢华中科技大学现代分析测试中心、微纳米制造工艺平台和武汉光电国家实验室为器件制备与表征提供的支持。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724047417
