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，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)伏安法的電化學方法，用于直接量化NiO?表面具有氧化還原活性的位點數(shù)量。通過將含咔唑基團的磷羧酸分子鍵合于這些活性位點，可顯著降低表面反應(yīng)性，進而提升器件性能。研究進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，為界面工程提供了清晰的分子設(shè)計準則。

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

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

磷羧酸基團作為布朗斯特酸，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），且其鈍化效果優(yōu)于含吸電子溴基的衍生物。

電化學方法的普適性與預(yù)測價值

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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，也與準費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)性定量評價體系，闡明磷羧酸咔唑類分子的雙功能鈍化機制，并證實表面氧化還原活性與鈣鈦礦太陽能電池性能的直接負相關(guān)關(guān)系。該工作為理性設(shè)計高效穩(wěn)定的金屬氧化物/鈣鈦礦界面提供了實驗依據(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300-2500nm，并提供特殊化定制

氙燈+鹵素燈雙光源結(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