今日热讯：中科院化学所孟磊团队: 氧化还原改进型混合 SAM 助力倒置钙钛矿电池

论文概览

(资料图)

钙钛矿太阳能电池凭借高功率转换效率(PCE)和低成本制备优势，成为光伏领域的研究热点。其中，采用镍氧化物(NiOₓ)/自组装单分子层(SAM)作为空穴传输层(HTL)的倒置钙钛矿太阳能电池(p-i-n型)，因结构简单、兼容性强，更具产业化潜力。然而，NiOₓ表面存在Ni²⁺和Ni³⁺混合价态的固有问题，不仅导致SAM层难以均匀生长，影响电荷传输效率，高活性的Ni³⁺还会加速钙钛矿材料分解，严重制约器件的稳定性。为解决这一核心瓶颈，中国科学院化学研究所李永舫&孟磊团队团队设计了一种创新策略：利用新型SAM分子MeOF-4SHCz靶向NiOx表面的富Ni³⁺区域，通过局域氧化还原反应原位形成S–O–Ni键;同时，常规SAM分子MeOF-4PACz继续在Ni²⁺区域通过P–O–Ni键实现稳定锚定。当这两种分子以4:1(w/w)的优化比例复合后，在NiOx表面形成了协同作用的混合SAM层，其覆盖度与均匀性得到显著提升。基于此氧化还原改进型(ROI)-SAM空穴传输层所构筑的倒置钙钛矿太阳能电池，获得了26.5%的优异PCE(认证效率26.28%)，并在持续最大功率点(MPP)运行下展现出超过1000小时(T90)的长期稳定性。

技术亮点

1.靶向型SAM分子设计

l MeOF-4SHCz中的巯基(-SH)具有强还原性，可与Ni³⁺发生特异性氧化还原反应，生成磺酸基(-SO₃H)并形成稳定的S–O–Ni键。

l常规SAM分子MeOF-4PACz则通过-PO (OH)₂与Ni²⁺区域形成P–O–Ni键，二者分工协作，实现对NiOₓ表面的全面覆盖。

2.最优复合配比优化

l当MeOF-4SHCz与MeOF-4PACz以4:1(w/w)复合使用时，SAM层性能达到最优：该配比下，SAM层在NiOₓ表面的覆盖度和均匀性显著提升，有效减少界面缺陷。

l氧化还原反应使Ni³⁺被还原为Ni²⁺，降低了NiOₓ表面化学活性，抑制了其与钙钛矿层的不良反应。

深度精读

图1聚焦NiOₓ-钙钛矿界面氧化还原反应，验证ROI-SAM策略核心机制：a为新型SAM分子MeOF-4SHCz结构;b、c通过XPS证实其巯基氧化为磺酸基;f显示Ni³⁺被还原，价态均一化;h通过XRD表明钙钛矿结晶质量提升;i验证常规SAM与Ni²⁺的结合未受影响，整体证实双分子靶向结合的有效性

图2聚焦SAM在NiOₓ表面的分布特性，通过KPFM、c-AFM、分子模拟和TOF-SIMS证实：ROI-SAM体系电势与电流分布更均一(标准差14.5 mV、RMS 0.134 nA)，分子分散性提升;SO₃⁻与PO₃⁻深度一致且横向分布均匀，证明SAM层覆盖全面、结合稳定，为电荷传输优化奠定基础

图3聚焦光电性能提升，通过PL、TRPL、SCLC等表征证实：ROI-SAM体系PL强度更高、衰减寿命更长(73.1 ns)，非辐射复合减少;陷阱填充极限电压更低(0.29 V)，缺陷密度降低;TA测试显示电荷提取更高效;PLmapping和形貌表征表明钙钛矿薄膜更均匀，晶粒更大，为器件高效运行提供性能支撑。定基础。

图4聚焦器件最终性能，通过多项表征证实优势：截面SEM展示完整层状结构;J-V曲线显示ROI-SAM体系PCE达26.5%(认证26.28%)，Jsc、Voc、FF均优于常规SAM;EQE和稳态PCE验证效率真实性;TPC测试表明电荷提取更高效(延迟0.8μs);MPP跟踪显示T₉₀>1000小时，证实效率与稳定性双突破。

文献来源

Yuan, M., Wang, Y., Liu, Z. et al. Redox-Improved Self-Assembled Monolayers for Inverted Perovskite Solar Cells. Nat Commun (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66421-4

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