研究成果と見所

ペロブスカイト太陽電池における埋蔵インタフェースの最適化研究に対して、華中科学技術大学の陳炜教授と劉宗豪教授、手を取り合う深セン職業技術大学Jingbai 李教授チームは重大な突破を遂げ、混合を深く検討した自己集合単分子層（SAM）堆積過程における分子間相互作用機構、この研究はトップレベルの定期刊行物『自然 コミュニケーション』、タイトルは『効率的なワイドバンドギャップペロフスキット太陽電池およびタンデムのためのハイブリッド自己組み立て分子の競争的吸収を調節する》。

研究チームは画期的なインタフェース改質戦略を開発し、広帯域ギャップペロブスカイト太陽電池の解決に成功した（WBG PSCs）中長期的な課題-混合SAM間の競合吸着によるインタフェース欠陥問題。研究者は三つの異なる共吸着剤を系統的に考察した（PA）、CA和SA）および一般的なSAM材料Me-4PACz間の相互作用メカニズムと効能影響。

研究の重点成果：

•理論計算の開示SA重要な役割：分子動力学（MD の）シミュレーションと密度汎関数理論（DFT の）計算は明確に指摘して、きょうきゅうちゃくざいSA充填傾向ニオックス和ITO表面の未被覆部位、およびMe-4PACz有利な相互作用を生じさせ、その分散を促進し、それによって形成されるより緻密なホール選択層。SA-Me結合エネルギーは、ME-ME結合エネルギー、破壊に役立つMe-4PACzの再会。

•じっけんけんしょうSAインタフェースとペロブスカイトの品質を最適化する：実験結果は強力に証明され、使用在/我-4包混合SAM界面の非放射再結合損失を著しく減少させ、埋蔵界面のエネルギーレベル配置を最適化したそして効果的に調整しましたWBG のペロブスカイトの結晶質。XPS分析はさらに実証したSA機能強化Me-4PACzにニオックス上の吸着。SEM和XRDなどの特性化技術も示している。SAの導入によりペロブスカイト薄膜の形態学及び結晶性。

•WBG PSC の効果が顕著に向上：に基づいてSAのインタフェース最適化戦略、1.77 eVワイドバンドギャップペロブスカイト太陽電池取得しました20.67%の電力変換効率（PCE）を選択し、資格認定の達成20.21%。そのガンダム1.332Vの開放電圧（VOC），認証値は1.313V、同類のデバイスの中で際立っている。対照群と比較して、堆積はSA改良された基板上のペロブスカイト薄膜はより高いPLQY の値を選択し、より高いQFLS値。

•全ペロブスカイト積層素子の取得が近い29%認証効率：これを効率化WBG PSC のと1.26 eV狭エネルギーギャップ（NBG）PSC組み合わせて、調製に成功しました両端全ペロブスカイト積層太陽電池（TSC）、そのPCE驚くべき28.94%（認証値28.78%、小面積0.087センチメートル2）をオフにします。小寸法モジュール（開口面積11.3センチメートル2）も実現した23.92%のPCE。

•積層デバイスは優れた長期安定性を示している：使用するSA界面を改良した全ペロブスカイト積層デバイスは、厳しい条件下で（85 ℃，N2 のまたは 85 ℃/85%相対湿度）は優れた長期運用安定性を示した。

図1i：SA基板上の広帯域系ペロブスカイト太陽電池（WBG PSCs）最適なJ-V の曲線

研究チーム

この創始的な研究は、分野を超えたチームが共同で行ったもので、通信著者は華中科学技術大学の陳炜教授（ウェイ チェン）と劉宗豪（Zonghao リュー）教授、及び深セン職業技術大学Jingbai 李教授。

この重要な研究活動は主に以下の通りである単位次の操作を行います。

1. 華中科学技術大学（Huazhong University of Science and Technology, HUST）

2. 深セン職業技術学院（深セン理工大学）

3. 光谷実験室（光学谷研究所）

研究背景

•インタフェース工学の複雑さ：自己集合単分子層（SAM）ペロブスカイト太陽電池の界面改善に広く応用されているが、混合SAM堆積中の相互作用と競合吸着挙動まだ十分に研究されていない。共吸着剤が一般的にどのように影響するかを理解するSAM材料(如Me-4PACz）の成膜過程は挑戦である。

•非放射再結合損失：WBG PSC のの効率は界面における非放射再結合損失。界面欠陥を効果的に不動態化し、電荷再結合を減少し、開放電圧を高める方法（VOC）重要な難題です。

•高開放電圧を実現（VOC）：にもかかわらずWBG の材料は潜在的に高いVOCが、実際のデバイスのVOC理論の限界を下回ることが多い。減らすVOCそんしつ、特に界面非放射再結合に関連する損失は、効率を高める鍵である。

•エネルギーアライメントの問題：ホール選択層（HTL）カルシウムチタン鉱層との間のエネルギーアライメント不良電荷輸送を阻害し、デバイスの効率を低下させる。

•ペロブスカイト薄膜の結晶品質：獲得高品質で均一で欠陥の少ない広帯域ギャップペロブスカイト薄膜やはり挑戦だ。界面修飾剤はペロブスカイトの核形成と成長過程を効果的に制御できる必要がある。

•全ペロブスカイト積層電池の発展：効率的なWBG PSC の狭いエネルギーギャップ（NBG）PSC高性能な全ペロブスカイト積層電池を構築するために統合するには、サブバッテリ間の界面を精密に制御するを選択し、電荷の有効な再結合を確保します。

図3b

解決策

研究チームは上記の困難と挑戦に対して、次のように提案した。制御混合自己集合単分子層（SAM）競合吸着挙動コアとなるソリューションと方法：

•正確な制御インタフェースの形成：研究チームは深く研究した共吸附剤（PA、CA、SA）および一般的なSAM材料（Me-4PACz）間の相互作用。分子動力学による（MD）シミュレーションと密度汎関数理論（DFT）計算、異なることを明らかにする共吸附剤とMe-4PACzにニオックス和ITO表面の吸着挙動とエネルギー。

•ホール選択層を最適化するには：研究の発見SAとして共吸附剤を使用すると、カバーされていない位置を効果的に埋めることができ、干渉しないMe-4PACzの吸着により、緻密なホール選択層の形成を確保する。

•非放射再結合の抑制：在/我-4包混合SAM界面非放射再結合損失を効果的に低減することができる、これはより高い光ルミネセンス量子収率を通じて（PLQY）準フェルミ準位との分裂（QFLS）検証する価値がある。

•エネルギーアライメントの向上：計算と実験の結果、SA-Me二量体エネルギーはより良いエネルギー準位配置を実現する、カルシウムチタン鉱層からホール輸送層へのホールの抽出と輸送に役立つ。

•制御ペロブスカイト結晶：その場光ルミネセンス（PL）スペクトル、Xせんかいせつ（XRD）およびすれすれ入射広角X放射線散乱（GIWAXS）等特性化により、SA改質された界面は、より高品質で結晶性が良く、欠陥の少ない広帯域ギャップペロブスカイト薄膜を得るのに役立つ。

•かいほうでんあつ（VOC）：上記の戦略により、顕著に向上したWBG PSC ののVOCを測定し、エネルギー損失解析により確認した非放射再結合損失の減少はVOC昇格の要因。

•高効率ラミネートバッテリを構築するには：効率的なSAへんせいWBG PSC の狭いエネルギーギャップ（NBG）PSC結合して、調製に成功しました高効率(28.94%認証値28.78%)の全ペロブスカイト積層太陽電池を選択し、良好な安定性を示した。

適切な共吸附剤（SA）とMe-4PACz形成混合SAM、界面特性を精密に調整し、それによって広帯域ギャップペロブスカイト太陽電池及び全ペロブスカイト積層電池中の性能を全面的に向上させる。

図S10

実験手順と過程

材料の調製

•主な使用方法[4-（3,6-dimethyl-9H-carbazol-9-yl）butyl]リン酸（Me-4PACz）自己集合単分子層として（SAM）材料。

•共吸着剤として3種類の異なる二機能性アルキルアミンを同時に使用する：（6-アミノヘキシル）-リン酸（PA）、7-アミノヘプタノ酸（CA）和6-アミノヘキサン-1-スルフォン酸（SA）。

•これらの材料はエタノールに特定の割合で溶解して混合されるSAM溶液。

•広帯域ギャップ（WBG）ペロブスカイト太陽電池の前駆体溶液は、FA0.8Cs0.2Pb（I0.6Br0.4）3の組成。

•ナローエネルギーギャップ（NBG）ペロブスカイト太陽電池の前駆体溶液は、FA0.6MA0.3Cs0.1Pb0.5Sn0.5I3 の組成。

研究過程と重要な発見

•コンピューティングスタディ（DFT）計算とMD の模擬)：

○DFT計算：検討PA、CA和SAにニオックス和ITO表面（ひょうめん）の結合モードと吸着エネルギー。その結果、SAにITO吸着エネルギーがMe-4PACz。

○MD のシミュレーション：研究共吸着剤とMe-4PACzの競争吸着行為。SA先に吸着することができますニオックス表面、そしてSA-MeダイマーきょうかMe-4PACzの吸着により、より均一な吸着分子層を形成し、充填するのに役立つニオックスにITO表面が覆われていない領域。SA-Me二量体の結合エネルギーはME-MEダイマー。

○計算表示、SA-Me二量体エネルギーはより良いエネルギー準位配置を実現する。

図S4a＆図1a-d

•太陽電池の製造と試験：

○異なるベースSAMに化粧これ/NiOx基板は完全なWBG PSC のデバイス。SAベースデバイスは最高のPCE 20.67%（認証値20.21%)和VOC 1.332 V（認証値1.313V）。

○統合による最適化後のWBG の和NBGサブバッテリ、作成されました2-エンドフルペロブスカイト積層太陽電池（TSC），に基づいてSAのラミネート電池で最高のPCE 28.94％認証値28.78%)。

○また、SAの積層マイクロモジュール、平均PCEために21.82±1.28%(アパーチャ面積11.3 cm2）。

図4c

•バッテリの安定性：

○に基づいてSAの積層電池は85℃窒素雰囲気中和85℃/85%相対湿度の環境ではすべてストレージの安定性の向上を選択してオプションを設定します。AM 1.5グラム光に照らされてMPPT の実行500時間後、初期を維持したPCEの85%。

図4f

研究成果の特徴

光ルミネセンス量子収率（PLQY）準フェルミ準位との分裂（QFLS）

異なる基板上に堆積したペロブスカイトのPLQY のを選択し、対応するQFLSを選択します。SAM/ペロブスカイト界面の非放射再結合損失。

図3d、E：ガラス基板上に堆積したペロブスカイト薄膜のPLQY の値は4.231%、対応するQFLS値は1.388 eV。堆積に対して混合SAM上のペロブスカイト薄膜、SAサンプルは最高のPLQY の値3.005%、対応するQFLS値は1.379 eV。SA共吸着戦略により低減可能SAM/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）曲線

異なる基準に基づく測定SAMに化粧これ/NiOx基板から作製した広帯域ギャップ（WBG）ペロブスカイト太陽電池（PSC）及び全ペロブスカイト積層太陽電池（TSC）のJ-V の正走査と逆走査を含むカーブ。

l ワイドバンドギャップペロブスカイト太陽電池（WBG PSCs）：使用するSA共吸着剤のデバイスは顕著な性能向上を示し、最高のPCE 20.67%（逆走査）と1.332Vの開放電圧（Voc）。この結果は認証され、PCEために20.21%，VOCために1.313V（図S23）。これらの数値は当時報道されていた(1.77 eV) WBG PSCsにおけるトップレベル。

l 全ペロブスカイト積層太陽電池（全ペロフスカイトTSCs）：SA共吸着剤も同様に積層電池の性能を著しく向上させ、最高のPCE 28.94%（逆走査）と2.146 VのVOC。安定した電力出力PCEために28.72%(図S37）。積層電池のPCE認証済み28.78%，VOCために2.145 V(図S38）。

l に基づいてSAの積層マイクロコンポーネント：5つのサブバッテリを含むベースSAの積層マイクロモジュールは良好な均一性を示し、平均PCE達する21.82 ±1.28%(アパーチャ面積11.3センチメートル2)。最適なマイクロコンポーネントPCEために23.92%，VOCために10.10 V（図4e）。

がいぶりょうしこうりつ（EQE）

研究チームによる使用エンリテック QE-R量子効率測定システム異なる基準に基づく測定SAMのシングルノットWBG PSC の和NBG PSC の及び積層太陽電池のEQEスペクトル。

図S20：制御グループ、PAグループ、CAグループとSA組WBG のデバイスのEQEポイントJSCそれぞれ 17.42、17.60、17.64和18.06 mA センチメートル?2、およびJ-V のスキャン抽出されたJSC一致する。図4D和図S36b表示されたSA基TSCのWBG の和NBGサブバッテリのEQEスペクトル、EQEせきぶんWBG の和NBGサブバッテリのJSC値はそれぞれ 15.94和15.71 mA センチメートル?2。

その場光ルミネセンス（PL）スペクトル

前駆体スピンコーティング及びアニール段階におけるペロブスカイトの監視制御グループ及びSAグループ基板上の結晶化挙動。（図S24）

X放射線光電子分光法（XPS）

使用するXPS測定ベースMe-4PACz単独（対照群）及びPA、CAまたはSAこんごうSAMに化粧これ/NiOx基板の表面化学成分と元素原子価状態。共吸着剤の存在を検証し、それらの対Me-4PACzにニオックス表面吸着と導電性の影響。XPSその結果、共吸着剤が混合していることが直接確認されたSAMに存在し、SAの導入は効果的であるだけでなくMe-4PACz共吸着、さらに強化Me-4PACzとニオックスの結合、および向上ニオックスの導電性があります。（図S9、S10、S11、S12）

ダイナミック光散乱（DLS）

使用するDLS異なる混合吸着分子溶液中のミクロコロイド粒子の粒径分布を測定した。その結果、共吸着剤の導入が低下したMe-4PACz溶液中に形成されるミクロコロイド粒子の平均サイズは、共吸着剤が抑制されることを示しているMe-4PACzミクロコロイド粒子の形成（図S13）

紫外線-可視光（UV-VIS）スペクトル

モニタリングMe-4PACzにこれ/NiOx基板上の吸着動力学は、個別のMe-4PACz溶液及びMe-4PACzとPA、CAまたはSAの混合溶液を用いた。在/我-4包の吸着速度はより速く、積載量はより高い。（図S14）

接触角測定

制御グループにおける水滴の測定PA、CA和SA処理済みこれ/NiOx基板上の接触角。接触角の増加は共吸着剤の導入により表面の疎水性が増加することを示し、これは主に混合によるものであるSAMよりよくカバーこれ/NiOx表面は、高度な親水性基の曝露を低減する。（図S15）

Xせんかいせつ（XRD）およびすれすれ入射Xせんかいせつ（GIXRD）

使用するXRD堆積が異なることを測定しましたSAM修飾基板上のペロブスカイト薄膜の結晶構造。使用するGIXRD の薄膜の残留応力を研究した。（図S26、図S27）

すれすれ入射広角X放射線散乱（GIWAXS）和PL写像

はく離技術を用いてペロブスカイトの底面を暴露し、GIWAXS和PLマッピングキャラクタリゼーション。スタディミックスSAM底部界面ペロブスカイト質量と非放射再結合への影響。制御グループと比較する、SAベースペロブスカイト薄膜はより高いPL強度とより均一性は、底部界面の非放射再結合が抑制されることを示している。（図S28、図2i-L）

紫外光電子分光法（UPS）

調製した正孔輸送層を測定する（HTL）のエネルギーレベルの配置。評価SAM修飾ペアこれ/NiOx仕事関数と価格帯の最大値(VBM)の影響を受けます。（図3a和図S29）

時間分解光ルミネセンス（TRPL）

測定堆積は異なるSAM修飾基板上のペロブスカイト薄膜のキャリア動力学。（図3B、C）

結論

研究チームは混合自己集合単分子層を深く検討した（SAM）中共吸着剤と[4-(3,6-ジメチルき－9H－カルバゾール-9-基)ブチルき]フォスフィン酸（Me-4PACz）の相互作用、および高効率広帯域ギャップペロブスカイト太陽電池（WBG PSCs）積層太陽電池への応用。研究によると、6-アミノヘキサン-1-スルホン酸（SA）共吸着剤としては、干渉することなく、被覆されていない部位を効果的に充填することができるMe-4PACzの吸着により、緻密なホール選択層が形成される。

透過分子動力学（MD）シミュレーションと密度汎関数理論（DFT）計算、研究により明らかになったSAとMe-4PACz間の平衡した表面と分子間の相互作用は、Me-4PACzにニオックス和ITO表面がより均一に吸着する。XPS特徴づけの結果はさらに検証されたSAブレンドSAMに存在し、SAできる強化Me-4PACzとニオックスの結合能力を高め、ニオックスの導電性があります。

本研究の主な成果は次のとおりです。

•ベース在/我-4包混合SAMの1.77 eV WBG PSCガンダム実現20.67%の電力変換効率(認証済み20.21%)和1.332Vの開放電圧(認証済み1.313V）。

•在/我-4包混合SAM効果的に界面非放射再結合損失を減少させ、エネルギーレベル配置を最適化し、制御したWBG のペロブスカイトの結晶。XRD和SEM等特性評価の結果、使用SA基板堆積ペロブスカイト薄膜はより高い結晶性、より少ない欠陥、より平坦な表面。

•最適化されたWBG の二次電池と1.26 eVナローエネルギーギャップ（NBG）PSC組み合わせる全ペロブスカイト積層太陽電池（TSC）、そのPCE達した28.94% (認証済み28.78%)，VOCために2.146 V。

•ベースSAの積層マイクロモジュール（開口面積11.3センチメートル2）平均を示す21.82%のPCE、最適なデバイスPCE達する23.92%，VOCために10.10V。

•安定性テストによると、SAの積層素子は継続光照射下にある500時間後も初期状態を維持PCEの85%また、同時に熱安定性と湿熱安定性の面でも強化された性能を示している。

文献参照nature communications _ DOI：10.1038/s 41467-025-58111-y

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