研究の困難と挑戦

ワイドエネルギーギャップ（WBG）サブ電池において、正孔輸送層としての酸化ニッケル（ニオキス）自己集合単分子層と（SAM）間のインタフェース接触問題は、デバイスの効率と安定性を深刻に制限している。

先行技術には次の主な課題があります。

•ニオックス腐食問題：伝統的に広く使われているSAM例えばリン酸を含む（PA）アンカー基としてのSAM（PA-SAM）、その酸性が強い、腐食しやすく化学反応性のあるニオックスレイヤー、ダメージを与えるニオックス層の完全性と機能、ひいてはデバイスの安定性を弱める。

•SAM分子凝集と界面問題： 伝統SAM分子はニオックス表面が発生しやすいしゅうちゅうげんしょう、不均一な成膜はインタフェース損失，キャリア輸送効率に影響を作成し、顕著なかいほうでんあつ（VOC）損失。

研究チームと成果

この高効率エネルギー全ペロブスカイト積層太陽電池に関する画期的な研究は、中国科学院寧波材料技術・工学研究所葛子義と劉暢チームリーダー、国際トップ科学ジャーナルに発表自然 コミュニケーション。

研究チームは酸性の弱いほうさんきのうかSAMだけでなく効果的に抑制されたペアニオックスの腐食さらに、より均一で結合力の強いインターフェース層を形成することができ、全ペロブスカイト積層太陽電池の効率を大幅に向上させ、デバイスの長期運転安定性を大幅に強化した。

図S6：解決された元の問題（腐食）

研究の核心的な成果は以下を含む：

•解決ニオックス腐食問題：開発に成功酸性の弱い自己集合単分子層（SAM）、酸化ニッケルに対する顕著な低減（ニオキス）正孔輸送層の腐食は、界面の安定性を高める。

•改善SAM成膜品質：新型SAMより強い界面結合力とより均一な成膜特性を示し、伝統を効果的に克服するSAM分子が凝集しやすく、被覆ムラの問題、インタフェース損失の低減。

•ペロブスカイト薄膜の品質を最適化する：改良後の界面はペロブスカイト結晶のより均一な成長を促進し、欠陥を減少させ、光照射による相分離を効果的に抑制し、薄膜の品質と安定性を向上させる。

•デバイス効率の大幅な向上：シングルジャンクションワイドエネルギーギャップ（WBG）サブバッテリ効率は18.9%昇格先20.1%;全ペロブスカイト積層太陽電池（TSC）効率性の向上28.5%。

•運用の安定性を大幅に向上：研究成果はデバイスの安定性を大幅に向上させ、全ペロブスカイト積層電池は連続光照射 500 時間後も初期効率を維持できる90%。

実験手順と過程

界面材料とフィルムの製造：研究チームは多種の自己集合単分子層を製造する（SAM）材料、およびITO導電性ガラス上に逐次堆積ニオックスレイヤーとSAM、形成これ/NiOx/Sams薄膜構造同時製造の伝統SAM材料(如Me-4PACz）対照群として。一部のサンプルを調製した後、エタノールスピンコーティングで洗浄し、残留分子を除去した。

単接合広エネルギーギャップ太陽電池の作製：で作成されたITO/ニオキス/SAM薄膜を正孔輸送層とし、広いエネルギーギャップのペロブスカイト薄膜をスピンコート堆積し、電子輸送層を順次堆積する（C60）、ALD SnO2）と銀電極を用いて、単接合幅エネルギーギャップ電池の作製を完了した。

全ペロブスカイト積層太陽電池の作製：広エネルギーギャップサブ電池と狭エネルギーギャップペロブスカイトサブ電池を統合し、両端全ペロブスカイト積層太陽電池を構築する。完全な構造は次のとおりです。ITO/ニオキス/SAM/こうエネルギーかんげきペロブスカイト/ C60 / SnO2 / Au / PEDOT:PSS /ナローエネルギーギャップペロブスカイト/ C60 / BCP / Ag。

バッテリ効率の評価：標準試験条件（1太陽、100mW/cm2）次に、単接合電池と積層電池の電流を測定する-電圧特性、光電変換効率、開放電圧、短絡電流密度及び充填因子などの重要なパラメータを評価する。定常電力出力追跡と外部量子効率測定を同期して行う。

安定性テストを行う：包装後の積層電池に対して最大電力点連続光照射追跡試験を行い、持続500時間をかけて長期運用の安定性を評価します。別途に行う85℃高温光照射老化試験を行い、電池の熱安定性能を検証する。

特徴づけ手法と結果

じゅんフェルミエネルギーかいぶんれつ（QFLS）

測定材料の光照射下の最大理論開放電圧（iVOC）の指標は、非放射再結合損失の程度を直接反映する。研究により、純ペロブスカイト薄膜とのQFLS伝統に触れるよりもMe-4PACzインタフェースペロブスカイトQFLS大幅に減少1.296 eV、表示重大なインタフェース複合。新型を使用S-BA-SAM処理後、QFLSからのみ1.326 eVわずかに減少1.322 eV、純薄膜値に近い、例えば図5F。直接証明S-BA-SAM大幅に減少しましたニオックス/ペロブスカイト界面の非放射再結合損失。

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電流-電圧（J-V）特性と定常電力出力（SPO）テスト

標準光照射下での太陽電池の光電変換性能を測定し、デバイスの安定性を評価した。進行基準J-V のテストに使用する適合性AM1.5G型スペクトル標準の太陽光シミュレータ。エンリテックのSS-X一連の太陽光シミュレータは複数の文献で引用され、高度に正確で安定した光照射を提供している。

図6Cサブバッテリおよび最終積層バッテリのJ-V の曲線。新型を経てS-BA-SAM最適化後、広いエネルギーギャップ（WBG）サブバッテリ効率は対照群の18.9%昇格先20.1%。最終的に組み立てられた全ペロブスカイト積層電池は最高を実現した 28.5% の効率性を高めることができます。

図6Dの定常電力出力曲線を表示し、デバイスは連続している1 太陽ライティングトラッキング 500 時間後も初期効率を維持できる90%、優れた長期安定性を示しています。

がいぶりょうしこうりつ（EQE）

研究チームが使用したエンリテックのREPS計測器が行われたEQE測定、測定デバイスが異なる波長の光照射下で電流を発生する効率を測定し、デバイスの異なるスペクトルに対する応答を分析し、理論短絡電流密度を計算する（株式会社）、およびJ-V のテスト結果は相互に検証されます。

図6E全ペロブスカイト積層電池のEQEスペクトル線は、短波長領域（約300〜750nm）と狭エネルギーギャップ（NBG）サブバッテリは長波長領域（約650～900nm）の有効量子効率を測定した。からEQE積分計算によるサブバッテリ株式会社値(16.0和16.2 mA センチメートル^-2)とJ-V のテスト結果はよく一致し、性能データの正確性を確認した。

光ルミネセンス量子効率（PLQY）

材料または薄膜の放射再結合の効率を反映し、非放射再結合損失と負の相関を示す。

図S54：ニオキス/Me-4PACz/ペロブスカイト試料のPLQY の純ペロブスカイト薄膜より著しく低く、再確認された重大なインタフェース複合を選択して設定できます。ニオキス/S-BA-SAM/ペロブスカイト試料はより高いPLQY（0.247%）、およびQFLS結果は一致し、新しいことを証明するSAMインタフェース再結合を効果的に抑制。

原子間力顕微鏡（KPFM）

表面電位差を測定する（CPD）、材料仕事関数とインタフェースのエネルギー準位配列、均一性と欠陥分布を分析する。

図1時間-o：ニオキス/SAM表面（ひょうめん）KPFM画像とCPD分布図は、S-BA-SAM処理済みニオックス表面（ひょうめん）CPD分布がより狭く、SAM層がより均一になる。

図4a-E：ペロブスカイト埋込インタフェースKPFM分析によるとS-BA-SAM処理インタフェースCPD分布FWHM のより狭く、光照射老化後の電位変化が小さく、インタフェースがより均一に安定していることを示している。

X光電子スペクトル（XPS）

材料表面元素の組成と化学状態を分析し、特に研究に用いるSAMとニオックス相互作用とニオックスの化学変化が見られます。

図1グラム：ニ 2p3/2 XPSスペクトル線表示、S-BA-SAM処理済みニオックス比べるとMe-4PACz処理されたピーク位置は低結合エネルギーにシフトしており、S-BA-SAMとニオックス間にはより強い電荷移動と相互作用が存在する。

すれすれ角入射X放射線回折（GIXRD） /広角X放射線散乱（GIWAXS）

薄膜の結晶構造、結晶粒配向及び応力を分析した。

図3i-K：GIWAXSスペクトルは、対照群の薄膜に格子歪みによる回折ピーク分裂が現れ、S-BA-SAMフィルムにはこの現象はなく、応力が小さいことを示しています。S-BA-SAMペロブスカイト薄膜の形成に有利である(100)配向しており、キャリア輸送に有利である。

誘導結合プラズマ発光スペクトル（ICP-OES）

溶液中の金属元素の含有量を測定し、評価に用いるSAM対ニオックスフィルムの腐食度。

図S6:これ/NiOxフィルムを異なる場所に浸漬SAM溶液後、使用S-BA-SAM溶液浸漬膜から放出されるニッケル含有量（29 µg/L）使用するよりもはるかに低いMe-4PACz溶液の薄膜（87 µg/L）、新型を直接実証したS-BA-SAM大幅に軽減されましたニオックス層の腐食作用。

密度汎関数理論（DFT）分子動力学（MD）模擬

深く理解するSAM分子とニオックス表面間の吸着機構、結合エネルギー、電荷分布、エネルギーレベル及びSAM形成過程における分子挙動。

図1a～f：DFT の計算されたSAM分子はニオックス表面（酸素含有空孔表面を含む）の吸着構造、差分電荷密度及び電子局所関数（ELF）図。計算結果によるとS-BAとニオックス間にはより強い結合エネルギーがあり、特にベンゾチオフェン頭基とニ間には追加の相互作用があります。図S1644のMD のシミュレーションではSAM表面における分子の分布の平均化均質性は、理論的には新型を支持しているSAM均一な薄膜の形成に寄与するという仮定。

その他の特徴

•走査電子顕微鏡（SEM）： 薄膜表面とデバイス断面形態を観察し、結晶粒の大きさ、形状、欠陥及び老化後の形態変化を評価した。（図6B、図3e-h）

•ひかりルミネセンスぶんぷ（PLマッピング）： フィルムを提供するPL強度の空間分布、直観的にフィルムの均一性と欠陥領域を示す。（図のようにS50）

•時間解析光ルミネセンス（TRPL）： 光生キャリアの寿命を測定し、体相または界面の複合速度を反映する。S-BA-SAM処理した薄膜キャリアの寿命が長い。（図5J）

•紫外光電子分光法（UPS）： 材料の仕事関数とエネルギーレベルの位置を決定し、エネルギーレベル図を構築し、電荷輸送を理解するのに役立ちます。（図4F）

•空間電荷制限電流（SCLC）解析： 正孔輸送層のキャリア移動度と密度を評価し、S-BA-SAM処理後の正孔密度は低下した。（図S39）

•電気化学インピーダンススペクトル（EIS）： デバイス内部の電荷輸送と複合インピーダンスを解析する。S-BA-SAMデバイスはより高い複合インピーダンスを示した。（図5i）

•接触角測定： ペロブスカイト前駆体のSAM表面の濡れ性を処理し、薄膜の核形成と成長に影響を与える。（図S34）

•げんい（現場） UV-Vis吸収スペクトルとPLスペクトル: スピンコーティング中のペロブスカイト薄膜の核形成と結晶化動力学のモニタリング（図2B、C）。

•飛行時間二次イオン質量分析（TOF-SIMS）： 素子構造中の各元素の深さ分布を分析し、光照射老化過程における元素の移動を研究するために用いられる。（図S33）

•フーリエ変換赤外分光法（FTIR）： 分析SAM分子とペロブスカイト前駆体中FAI分子間の相互作用（図のように2a）。

結論

研究チームは新規弱酸性ホウ酸機能化自己集合単分子層（S-BA-SAM）、改質全ペロブスカイト積層太陽電池における広エネルギーギャップサブ電池のニオxホールトランスポート層インタフェース。

主な研究成果は以下の通り：

界面安定性向上：S-BA-SAMとニオx強固な結合を形成し、有効である抑制（よくせい）ニオxふしょく、従来のリン酸基よりも性能が優れているSAMを選択し、ニオx表面的（ひょうめんてき）均一成膜、界面形態と被覆率を改善する。

フィルム品質の最適化：界面改質はペロブスカイト薄膜の結晶化過程を著しく最適化し、促進するきんいつハロゲンかぶつぶんぷそしてひかりしゃしんぶんりを抑制する、フィルムの品質と光安定性を大幅に向上させる。

キャリア輸送改善：最適化されたインタフェース特性はキャリア輸送を加速し、非放射再結合損失の低減、キャリア寿命を有効に延長する。

効率の大幅な向上：インタフェース層を最適化したワイドエネルギーギャップ単接合電池を採用し、光電変換効率は18.9%昇格先20.1%。統合された両端積層太陽電池はさらに革新的28.5%のPCEの優れた記録。

長期安定性：広いエネルギーギャップのおかげでバッテリー改善、積層デバイスディスプレイうんてんあんていせい、1 太陽最大パワーポイント追跡500時間後、初期効率を維持90%以上。

文献参照nature communications _ DOI：10.1038/s 41467-025-59515-6

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