西安交大Nat. Commun：749.276cm²认证效率19.50%，通过IEC测试迈向产线

 

在光伏领域p-i-n 结构钙钛矿太阳能电池（PSCs）因高效率、低温制备及优异电荷传输特性，在大面积组件应用中潜力显著，基于自组装单分子层（SAM）的空穴传输层（HTL）可提升载流子传输效率，使 p-i-n 型 PSCs 功率转换效率（PCE）超 26.95 %。但当前 SAM 基 HTL 存在界面附着力弱、薄膜均匀性差、稳定性有限的问题，传统分段工艺及现有改进方法难以满足规模化需求。大平台钙钛矿电池PL测试仪通过无接触式测试，监测各个工艺段中的异常，了解单节叠层钙钛矿电池的缺陷分布信息。

本研究提出原位 SAM 配位 NiOₓ的集成 HTL 策略，在 NiOₓ合成时锚定 SAM，提升分子有序性等性能，小面积 PSCs（0.0655 cm²）PCE 达26.02%，大面积（749.276 cm² ）组件效率（19.50%）优异，封装组件还通过 IEC 61215-2-2021 关键测试。

NiOₓ纳米颗粒的表面羟基化

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氧化镍（NiOₓ）纳米颗粒的表面羟基化预处理

SAM 与 NiOₓ的强键合依赖于 NiOₓ表面的 - OH 活性位点。本研究通过Na₂O₂预处理实现 NiOₓ的表面羟基化，具体过程如下：

①先采用化学沉淀法合成对照 NiOₓ（C-NiOₓ）：将硝酸镍溶液调至 pH=10 后沉淀、清洗、煅烧，得到平均粒径约 9nm 的团聚纳米颗粒；

②向 C-NiOₓ水分散液中添加 3mol% Na₂O₂，室温搅拌 20 分钟后离心干燥，得到富羟基 NiOₓ（H-NiOₓ）。

表征结果显示，H-NiOₓ展现出显著优势：

①分散性提升：TEM 图像显示，H-NiOₓ团聚现象被抑制，平均粒径从 9nm 降至 6nm，粒径分布更窄；

②表面活性增强：FTIR 与 XPS 测试证实，Na₂O₂处理使 NiOₓ表面的 - OH 含量显著提升（-OH/NO₃⁻峰面积比增大），且 Ni³⁺/Ni²⁺比例从 2.08 升至 2.55——Ni³⁺的增加可诱导更多空穴，提升 HTL 导电性；

③表面粗糙度降低：原子力显微镜（AFM）测试显示，H-NiOₓ薄膜的均方根（RMS）粗糙度从 15.50nm 降至 8.06nm，为后续 SAM 的均匀锚定奠定基础。

DFT 计算进一步验证：-OH 在 NiOₓ表面的吸附能（-6.78 eV）远低于 NO₃⁻（-4.60 eV），证明 - OH 可优先取代 NiOₓ表面的 NO₃⁻，形成稳定的富羟基表面。

原位SAM配位构建集成式HTL

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分段式空穴传输层（HTL）与集成式空穴传输层（HTL）的对比

为实现 SAM 与 NiOₓ的强键合，本研究采用热注入法将 2PACz（SAM 分子）原位锚定在 H-NiOₓ表面，构建集成式 2PACz-NiOₓ HTL，具体步骤为：

①将 H-NiOₓ重新分散于异丙醇（IPA）中，加热至 65℃；

②滴加 2PACz 溶液并搅拌 5 小时，利用热注入产生的能量促进 2PACz 与 H-NiOₓ表面 - OH 的化学反应；

③离心清洗去除未锚定的 2PACz 分子，最终得到可一步成膜的集成式 2PACz-NiOₓ分散液。

与传统分段式 HTL（先制 NiOₓ再涂 SAM）相比，集成式 HTL 的优势体现在三方面：

①分子排列更均匀：开尔文探针力显微镜（KPFM）与 EDS mapping 显示，集成式 HTL 中 2PACz 完全覆盖 H-NiOₓ表面，而分段式 HTL 存在明显覆盖空缺；

②导电性更高：暗态 J-V 测试显示，集成式 2PACz-NiOₓ的导电性显著优于 H-NiOₓ与分段式 HTL，这源于分子的有序排列减少了电荷传输阻力；

③能级匹配更优：紫外光电子能谱（UPS）测试显示，集成式 HTL 的价带顶（VBM）降至 - 5.45 eV，与钙钛矿层的能级匹配度更高，可更高效提取空穴。

钙钛矿膜的结晶质量优化

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不同空穴传输层（HTL）上的钙钛矿生长情况

HTL 的均匀性直接影响钙钛矿膜的结晶质量。本研究采用环氧树脂辅助剥离法，观察不同 HTL 表面生长的钙钛矿膜微观结构，结果如下：

①H-NiOₓ表面：钙钛矿晶粒小且不均匀，存在明显碘化铅（PbI₂）析出（源于 Ni³⁺与前驱体的反应），纵向生长时分层严重；

②分段式 2PACz-NiOₓ表面：晶粒变大，分层减轻，但仍有少量 PbI₂析出；

③集成式 2PACz-NiOₓ表面：钙钛矿膜平整致密，无 PbI₂析出，且形成垂直排列的柱状晶粒 —— 这种结构可显著减少电荷复合，提升载流子传输效率。

掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）与光致发光（PL）测试进一步证实：集成式 HTL 上的钙钛矿结晶度最高，非辐射复合最少（PL 强度分布更均匀），为电池高性能奠定基础。

PSCs的光伏性能与稳定性

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小面积钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光伏性能与稳定性

基于三种 HTL（H-NiOₓ、分段式 2PACz-NiOₓ、集成式 2PACz-NiOₓ）制备小面积 PSCs（活性面积 0.0655 cm² 与 1 cm²）

①短期运行稳定：在最大功率点（MPP）下测试 300 秒，PCE 稳定在26.02%，无明显衰减；

②长期环境稳定：ISOS-L-3（65℃、50% 湿度光浸泡）1000 小时后，保留 91% 初始 PCE；ISOS-D-3（65℃、85% 湿度储存）500 小时后，保留 88% 初始 PCE—这源于集成 HTL 的均匀分子锚定，抑制了卤离子迁移与界面降解。

大面积组件的规模化潜力验证

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集成式空穴传输层（HTL）策略在太阳能组件中的规模化应用

为评估商业化潜力，本研究采用狭缝涂布工艺（大气环境下）制备不同面积的 PSC 组件（结构：FTO / 集成 2PACz-NiOₓ/ 钙钛矿 / C₆₀/BCP/Cu），并测试其性能与一致性：

对比分段式 HTL 组件（749.276 cm² 时相对 PCE 增量仅 7.92%，效率方差 0.663），集成式 HTL 的优势显著：

①规模化性能保留好：随着面积从 0.0655 cm² 增至 749.276 cm²，PCE 仅从 26.02% 降至 20.21%，衰减幅度小；

②一致性高：大面积PL mapping与接触角测试显示，集成式 HTL 的 2PACz 覆盖均匀，不同位置的钙钛矿溶液接触角差异小，保证了组件的性能重复性；

③工业稳定性达标：749.276 cm² 封装组件通过 IEC 61215-2-2021 三项关键测试—户外暴露（60 kWh/m² 辐照）、紫外预处理（15 kWh/m² 辐照）、湿高温工作寿命（85℃/85% 湿度 1000 小时）后，均保留超过 95% 初始效率，满足工业应用标准。

本研究提出的 “原位 SAM 配位 NiOₓ” 集成 HTL 策略，通过 “Na₂O₂预处理羟基化 NiOₓ→热注入原位锚定 SAM→一步成膜制备 HTL” 的流程，同步解决了 SAM 基 HTL 的界面附着力、均匀性与规模化难题。该策略不仅实现了 26.02% 的小面积电池效率，还使 749.276 cm² 组件的 PCE 达到 20.21 %（19.50 %），且通过工业级可靠性测试，为高性能大面积钙钛矿太阳能电池的商业化提供了切实可行的技术路径。

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪

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大平台钙钛矿电池PL测试仪通过非接触、高精度、实时反馈等特性，系统性解决了太阳能电池生产中的速度、良率、成本、工艺优化与稳定性等核心痛点，并且结合AI深度学习，实现全自动缺陷识别与工艺反馈。

PL高精度成像：采用线扫激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 颜色灰度：同时清晰呈现高亮区域（如无缺陷区）与低亮区域（如缺陷暗斑）

高速在线PL检测缺陷：检测速度 ≤ 2s，漏检率 < 0.1%；误判率 < 0.3%

AI缺陷识别分类训练：实现全自动缺陷识别与工艺反馈

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪采用无接触式测试方式，可实时监测钙钛矿电池各工艺段中的薄膜质量异常，精准定位单结及叠层电池中的缺陷分布。

 

 

原文参考：In situ coordinated HTL strategy for highperformance and scalable perovskite solar cells

 

 

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