研究界面钝化，发一篇Science！

米测MeLab

2026-09-29

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编辑丨风云

研究背景

氧化镍NiO_x空穴传输层带隙宽、价带匹配、热机械稳定且抗离子渗透，是倒装钙钛矿电池商业化的主流选择。但其p型导电源于Ni³⁺态，表面Ni³⁺位点兼具路易斯酸与氧化还原中心作用，会氧化碘化物并使有机阳离子去质子化，界面钝化不可或缺。

关键问题

目前，NiO_x基钙钛矿电池的界面稳定化主要存在以下问题：

1、NiO_x表面Ni³⁺反应位点持续加速钙钛矿降解

Ni³⁺位点作为路易斯酸与氧化中心，驱动碘化物氧化为碘单质或三碘阴离子，并使有机阳离子去质子化；这些界面反应不断产生副产物与缺陷，制约效率与长期运行寿命。

2、自组装单分子层覆盖不全残留表面活性位点

自组装单分子层钝化存在覆盖不均或仅钝化部分位点的问题，循环伏安定量表明其钝化后仍残留可观反应位点；碱金属卤化物与聚合物等策略多依赖试错筛选，缺乏可靠的钝化判据。

新思路

有鉴于此，美国国家可再生能源实验室朱凯、Joseph M. Luther等人以原子层沉积生长约1 nm超薄 conformal SnO_x中间层，将NiO_x与钙钛矿间的界面化学反应降至最低；虽然n型SnO_x会阻碍空穴抽取，但借助带偶极的膦酸咔唑自组装单分子层重新对齐能级，二者协同在保持高效率的同时将开路条件下的T₉₀寿命提升约十倍。作者还建立了循环伏安反应位点定量方法（N值）作为钝化效果的快速判据，并将该结构放大到6 cm²微型组件，认证效率23.4%，经−65至85 °C千次热循环后仍保持95.7%初始性能。

技术方案：

1、用原子层沉积SnO_x超薄层隧穿钝化NiO_x

在纳米颗粒NiOx上沉积1–9循环ALD-SnOx，蒸气前驱体同时中和NiOx表面反应位点；单循环即提升效率，配合MeO-2PACz后冠军器件效率达26.6%（V_OC 1.19 V）。

2、以膦酸咔唑偶极工程重塑界面能级对齐

筛选八种不同偶极的咔唑自组装单分子层，漂移扩散计算表明其降低SnOx n型掺杂、消除约1.6 eV空穴势垒；近零或负偶极的MeO-2PACz使功函升至约−5.3 eV，性能最优。

3、建立了循环伏安N值定量诊断表面反应性

以水系KCl电解液积分阳极电荷获得N值：由NiOx的2.05×10¹⁴ cm⁻²经九循环SnOx降至1.46×10¹⁴ cm⁻²，与荧光寿命及稳定性趋势一致。

4、放大至微型组件并考核了极端热循环耐久性

6 cm²微型组件孔径效率24.4%、认证准稳态23.4%；65 °C开路千小时保持94.2%（对照34.1%），千次热循环后保持95.7%（对照65.3%）。

技术优势：

1、提出了隧穿钝化与偶极工程解耦稳定性与能级调控

超薄SnOx低于德拜长度，充当介电隧穿势垒而非电子传输层；化学钝化与能级对齐分别由氧化物与单分子层承担，绕开了单一钝化层难以兼顾两需求的固有权衡。

2、实现了T₉₀寿命提升约十倍并耐受千次极端热循环冲击

开路65 °C下T90提升约十倍；组件经−65至85 °C千次热循环保持95.7%初始效率，优于IEC 61215标准要求，证明界面钝化同时兼顾化学与热机械可靠性。

技术细节

ALD-SnO_x隧穿钝化层的设计与器件表现

导电原子力显微镜证实ALD随循环数增加覆盖趋于均匀，表面粗糙度由约7.8 nm降至4.5 nm；XPS给出Sn/O约0.49的化学计量比，呈绝缘介电性质。以带隙约1.55 eV的三阳离子钙钛矿考察器件：ITO/NiO_x对照效率20.4%（V_OC 1.05 V、J_SC 22.8 mA cm⁻²、FF 0.85）；单循环SnO_x即提升效率，归因于界面反应性下降；但循环数增至五与九循环（0.5–1.1 nm）时，n型SnO_x引入空穴抽取势垒，J_SC与FF降至0.54–0.62。引入MeO-2PACz后，九循环SnO_x器件冠军效率26.6%，V_OC 1.19 V、J_SC 26.3 mA cm⁻²、FF 0.85，与外量子效率积分一致。

图  设计方法和相应性能

偶极工程与能级对齐机制

作者按Helmholtz方程分析偶极面密度与分子偶极矩对功函偏移的贡献。八种咔唑自组装单分子层显示短烷基链普遍更优，且趋势在不同钙钛矿组分下保持。实验功函与文献偶极矩高度相关：高偶极约4.63 D的Br-PACz将能级拉至约−5.9 eV；未取代PACz与Me-PACz部分补偿至−5.7/−5.6 eV；MeO-PACz则抬升至约−5.3 eV，器件效率与偶矩正相关。漂移扩散模拟表明，n型SnO_x界面态会使能带剧烈弯曲、形成约1.6 eV空穴势垒，单分子层钝化使n型掺杂浓度降低两个数量级后弯曲完全消除；负偶极可最小化隧穿势垒，正偶极大于约1.5 D时NiO_x价带被压至钙钛矿价带之下、阻碍空穴抽取。

图  NiO_x/SnO_x表面的偶极子工程

循环伏安诊断与界面反应性定量

以0.5 M KCl水溶液探测NiO_x表面氧化还原位点：单循环SnO_x即降低低电位区电流密度，九循环进一步抑制。紫外臭氧对比实验中，裸NiO_x两分钟即变为深灰色，覆九循环SnO_x的薄膜颜色不变，证实其屏障作用。对−0.2至0.4 V积分得N值：NiO_x为2.05×10¹⁴ cm⁻²，九循环SnO_x后1.99×10¹⁴ cm⁻²，沉积MeO-2PACz后降至1.46×10¹⁴ cm⁻²，低于此前报道的NiO_x/Me-4PACz（3.78×10¹⁴ cm⁻²）。低N值对应更少缺陷界面：时间分辨荧光寿命由0.8 μs升至约3.5 μs，准费米能级劈裂对应的电压亏损由106 mV经69 mV降至18 mV。该诊断可推广至CuO_x、CoO_x与V₂O₅等氧化物。

图  太阳能电池的特点

器件与组件的稳定性考核

裸NiOx/PVSK与NiOx/SnOx/PVSK薄膜在85 °C氮气退火：无SnO_x的叠层80小时出现约12.7°的PbI₂衍射峰并随时间增强，含SnO_x叠层几乎不生成PbI₂。开路65 °C千小时老化中，九循环SnO_x加MeO-2PACz器件保持90%以上初始效率，约为仅NiO_x对照的十倍；85 °C氮气与最大功率点跟踪及85 °C空气连续光照测试趋势一致。微型组件（6 cm²）冠军孔径效率24.4%，经国家实验室认证准稳态效率23.4%，证明ALD均匀性与偶极层自组装可无损失放大。−65至85 °C每小时一循环的极端热循环中，对照组件千次后仅存65.3%，目标组件保持95.7%。

图  太阳能电池组件

展望

该工作以约1 nm conformal SnO_x兼作化学屏障与隧穿介电层，把界面化学稳定与能级调控解耦到两种材料上，并以N值建立钝化效果的快速筛选判据。该策略可推广至其他过渡金属氧化物空穴层，也适用于叠层电池复合层与发光二极管注入层的设计，为钙钛矿光伏商业化扫清界面障碍。

参考文献：

Xie, C. et al. Conformal oxides decouple chemical stability and energetics at NiOx/perovskite interfaces. Science 393, 1364–1368 (2026). DOI: 10.1126/science.aei2836