鎳氧化物（NiO?）是鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）中廣泛使用的空穴傳輸層，但其與鈣鈦礦界面之間的化學(xué)反應(yīng)常導(dǎo)致器件效率下降與穩(wěn)定性不足。美能QE量子效率測試儀可用于精確測量太陽電池的EQE與光譜響應(yīng)，幫助優(yōu)化界面工程和背接觸設(shè)計(jì)，從而提升電池的量子效率和整體性能。

本研究發(fā)展了一種基于循環(huán)伏安法的電化學(xué)方法，用于直接量化NiO?表面具有氧化還原活性的位點(diǎn)數(shù)量。通過將含咔唑基團(tuán)的磷羧酸分子鍵合于這些活性位點(diǎn)，可顯著降低表面反應(yīng)性，進(jìn)而提升器件性能。研究進(jìn)一步揭示了高效鈍化需同時具備布朗斯特酸與還原劑雙功能基團(tuán)，為界面工程提供了清晰的分子設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

鎳氧化物（NiO?）

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NiO?因其合適的能級與良好的空穴提取能力，成為高效p-i-n型鈣鈦礦太陽能電池的關(guān)鍵空穴傳輸材料。然而，其表面存在多種鎳氧化態(tài)（如Ni3?等），易與鈣鈦礦中的碘離子及有機(jī)陽離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致界面降解與器件性能衰退。常見的表面修飾策略是使用含磷羧酸錨定基團(tuán)的自組裝單層，但鈍化效果與分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系尚不明確，需建立可靠的定量評價(jià)方法。

研究思路與方法

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(a) NiO?表面結(jié)構(gòu)與物種示意圖(b)不同NiO?薄膜前驅(qū)體的照片及對應(yīng)的SEM圖像，(c)納米顆粒NiO?薄膜的連續(xù)循環(huán)伏安掃描圖(d)不同類型NiO?的循環(huán)伏安掃描對比

本研究以納米顆粒NiO?為模型體系，通過在水相電解質(zhì)中進(jìn)行循環(huán)伏安測試，在?0.1 V至0.65 V（vs. Ag/AgCl）電位區(qū)間內(nèi)，定量積分氧化還原電流，定義表面反應(yīng)性參數(shù)N（單位：cm?2），其值與活性位點(diǎn)密度成正比。

系統(tǒng)考察了一系列具有不同側(cè)基（?CH?、?OCH?、?Br等）及連接鏈長度的磷羧酸咔唑衍生物，并通過制備完整鈣鈦礦太陽能電池（結(jié)構(gòu)：ITO/NiO?/SAM/鈣鈦礦/PEACl/PCBM/SnO?/Ag），關(guān)聯(lián)N值與器件性能參數(shù)。

N值與器件效率呈顯著負(fù)相關(guān)

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(a)納米顆粒NiO?與NiO?/Me-4PACz的循環(huán)伏安曲線(b)基于NiO?與NiO?/Me-4PACz的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線

CV測試表明，經(jīng)PACz修飾后，NiO?的氧化還原電流明顯降低，對應(yīng)N值下降。器件性能統(tǒng)計(jì)顯示，開路電壓、短路電流密度、填充因子及光電轉(zhuǎn)換效率均隨N值減小而提高，相關(guān)系數(shù)具有高統(tǒng)計(jì)顯著性（P < 0.012）。其中，(4?(3,6?二甲基?9H?咔唑?9?基)丁基)膦酸（Me?4PACz）效果最佳，N值最低（4.44×101? cm?2），器件平均效率最高。

鈍化機(jī)理：雙功能協(xié)同作用

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(a)磷羧酸咔唑類分子結(jié)構(gòu)(b)不同磷羧酸咔唑分子在NiO?上的N值(c)基于不同磷羧酸咔唑鈍化NiO?的鈣鈦礦太陽能電池性能(d)N值與鈣鈦礦太陽能電池性能參數(shù)之間的相關(guān)性

(a)不同烷基膦酸分子結(jié)構(gòu)(b)基于不同烷基膦酸鈍化NiO?的鈣鈦礦太陽能電池性能(c)不同烷基膦酸在NiO?上對應(yīng)的N值

(a) PACz與NiO?粉末反應(yīng)10分鐘及24小時后的溶液顏色變化(b)MeO-2PACz在乙醇/水溶液中與NiO?反應(yīng)前后的紫外-可見吸收光譜(c)在含約10 mM MAI與MABr的0.5 M KCl電解質(zhì)中，NiO?薄膜的循環(huán)伏安曲線(d)由循環(huán)伏安測量得到的磷羧酸咔唑、I?/I?、Br?/Br?的相對氧化電位比較

對比實(shí)驗(yàn)證明，單獨(dú)使用烷基膦酸或咔唑均無法實(shí)現(xiàn)高效鈍化。有效的表面修飾需同時滿足：

磷羧酸基團(tuán)作為布朗斯特酸，通過酸堿反應(yīng)與表面Ni?OH/Ni?O結(jié)合；

咔唑基團(tuán)作為還原劑（HOMO能級 ≤ 5.4 eV），將表面Ni3?還原為Ni2?，并伴隨質(zhì)子轉(zhuǎn)移。

該機(jī)理得到以下證據(jù)支持：含供電子甲氧基的PACz分子更易被NiO?氧化為自由基陽離子（紫外?可見光譜證實(shí)），且其鈍化效果優(yōu)于含吸電子溴基的衍生物。

電化學(xué)方法的普適性與預(yù)測價(jià)值

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該方法適用于不同工藝（濺射、溶膠?凝膠、納米顆粒）制備的NiO?薄膜。N值不僅可預(yù)測器件初始效率，也與準(zhǔn)費(fèi)米能級分裂測試所反映的非輻射復(fù)合損失趨勢一致。該方法可作為快速篩選鈍化分子、優(yōu)化工藝穩(wěn)定性的有效工具。

本研究建立了基于循環(huán)伏安法的NiO?表面反應(yīng)性定量評價(jià)體系，闡明磷羧酸咔唑類分子的雙功能鈍化機(jī)制，并證實(shí)表面氧化還原活性與鈣鈦礦太陽能電池性能的直接負(fù)相關(guān)關(guān)系。該工作為理性設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的金屬氧化物/鈣鈦礦界面提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)與方法支撐，對推動鈣鈦礦光伏技術(shù)商業(yè)化具有指導(dǎo)意義。

美能QE量子效率測試儀

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美能QE量子效率測試儀可以用來測量太陽能電池的光譜響應(yīng)，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應(yīng)偏低區(qū)域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測量范圍、測試的準(zhǔn)確性和可追溯性等優(yōu)勢。

兼容所有太陽能電池類型，滿足多種測試需求

光譜范圍可達(dá)300-2500nm，并提供特殊化定制

氙燈+鹵素?zé)?/span>雙光源結(jié)構(gòu)，保證光源穩(wěn)定性

原文參考：Electrochemical quantification of phosphonic acid passivated surface sites of NiOx for perovskite solar cells