近日，南开大学化学学院、有机新物质创造前沿科学中心袁明鉴教授、姜源植研究员联合材料科学与工程学院李红时副研究员、河北工业大学陈聪教授在《Nature Photonics》期刊发表题为“Scalable and conformal nickel oxide for efficient perovskite solar modules”的研究论文，袁明鉴教授、姜源植研究员、李红时副研究员、陈聪教授为论文通讯作者，南开大学有机新物质创造前沿科学中心为论文通讯单位。
简介
可规模化且保形的氧化镍（NiOₓ）是大面积反式钙钛矿组件实现均匀电荷提取的关键，然而传统沉积工艺难以兼顾薄膜结构覆盖度与表面反应活性。研究团队报道一种基于化学浴沉积的配位调控策略，通过调控 NiOₓ结晶动力学突破上述瓶颈。利用 Ni²⁺-酒石酸钾（Pta）配合物较高的热力学稳定性，抑制无序团聚，将水解速率常数减半至 0.124 L・mol⁻¹・min⁻¹。该精准动力学调控得到致密保形薄膜，晶粒细化至 4.8nm。这种纳米结构优化大幅提升表面羟基基团密度，为自组装单分子层（SAM）提供牢固锚定位点，构筑化学结合紧密、抑制缺陷的埋底界面。采用 Pta-NiOₓ策略制备的反式器件最高光电转换效率（PCE）可达 27.40%（认证反向扫描 PCE为 27.35%）；组件在 17.7cm²、81.5cm²有效面积下分别实现 23.42%、21.97%效率。小面积器件按照 ISOS-L-1I测试标准持续运行 2656h 后仍保留 90%初始光电转换效率；17.7cm²迷你组件经 1200h测试后，效率维持初始值 90%以上。
图文概览
图 1｜NiOₓ薄膜配位调控结晶动力学
图 1a：CBD生长机理示意图。对比Pta 体系配体介导 Ni²⁺缓释、可控结晶和对照组无规沉淀两种路径，分为配位络合、水解、脱水三步反应。
图 1b：Ni²⁺-配体相互作用热力学结果。pH=9条件下展示累积稳定常数 logβ（左轴）与配合物摩尔占比（右轴）；Pta双齿配体 logβ=3.866，88.96%的 Ni²⁺形成配合物。
图 1c：时间分辨紫外-可见光谱监测水解动力学；插图丁达尔效应直观体现：Ery体系快速生成胶体，Pta体系成核被显著抑制。
图 1d：截面高分辨透射电镜 HRTEM。Ery-NiOₓ、Per-NiOₓ存在大量团聚；Pta-NiOₓ得到致密连续、保形贴合 FTO 基底的薄膜；Pta-NiOₓ薄膜厚度 17±2.2nm，厚度均一性大幅提升。
图 1e：HRTEM及选区电子衍射 SAED；Pta-NiOₓ晶粒尺寸仅 4.8nm，远小于 Ery-NiOₓ（19.2nm）。
图 1f：TEM统计晶粒尺寸分布，Pta-NiOₓ晶粒显著细化。
图 1g：XPS的 O1s分谱，分解为晶格氧 O_LA、空位氧 O_vis、羟基氧 O_OH。
图 1h：羟基氧 O_OH占比统计，Pta-NiOₓ的 O_OH 占比达到 33.7%，远高于 Per-NiOₓ（18.7%）、Ery-NiOₓ（16.6%），提供大量 SAM锚定位点。
图 2｜SAM修饰 NiOₓ薄膜的界面表征与稳定性
图 2a：沉积路径示意图。对照组（Ery-NiOₓ、Per-NiOₓ）发生随机团聚，薄膜存在针孔；Pta 调控得到羟基丰富的致密 NiOₓ，实现高密度 SAM 锚定，消除针孔缺陷。
图 2b-d：XPS P2p高分辨谱表征 SAM接枝；Pta-NiOₓ/Me-4样品 Sn4s信号显著减弱，证明 NiOₓ薄膜连续覆盖 FTO基底，SAM接枝密度更高。
图 2e-g：KPFM表面电势成像与接触电势差 CPD统计；Pta-NiOₓ/Me-4 平均 CPD 低至 331mV，界面电势分布更均匀。
图 2h-j：飞行时间二次离子质谱 TOF-SIMS深度剖析热老化后叠层结构；Ery-NiOₓ、Per-NiOₓ体系中膦酸根碎片向钙钛矿层扩散；Pta-NiOₓ体系膦酸根信号严格局限在埋底界面，抑制 SAM 脱附扩散。
图 3｜NiOₓ/Me-4叠层的界面载流子动力学与结构稳定性
图 3a：稳态光致发光 PL谱；Pta-NiOₓ/Me-4 基底上钙钛矿 PL 强度最高，非辐射复合被有效抑制。
图 3b：时间分辨 PL衰减曲线；Pta-NiOₓ/Me-4载流子平均寿命 τ_avg提升至 3.54μs。
图 3c：表面复合速度 SRV统计；Pta-NiOₓ/Me-4的 SRV降低至 9.89cm・s⁻¹。
图 3d：准费米能级分裂 QFLS 与非辐射 V_oc损失；Pta-NiOₓ/Me-4非辐射开路电压损失仅 59.92mV。
图 3e-g：65℃氮气下热老化 240h后的 GIWAXS图；对照组出现明显 PbI₂分解信号；Pta-NiOₓ/Me-4样品钙钛矿相结构保持稳定。
图 3h：埋底界面 PL映射；Ery-NiOₓ、Per-NiOₓ出现局部 PL淬灭；Pta-NiOₓ界面 PL信号均匀，界面缺陷少。
图 4｜钙钛矿太阳能电池光伏性能
图 4a：p-i-n器件结构示意图（FTO/NiOₓ/SAM/钙钛矿 /钝化层 / C₆₀/BCP/Ag）以及截面 SEM照片。
图 4b：15个独立器件的 V_oc、FF箱线统计；Pta-NiOₓ/Me-4器件 V_oc、FF整体显著优于两组对照。
图 4c：冠军器件 J-V曲线；PPta-NiOₓ/Me-4冠军器件 PCE=27.40%（V_oc=1.192V，J_sc=26.42mA・cm⁻²，FF=86.99%），迟滞可忽略
图 4d：最大功率点稳定输出，300s稳定输出效率 26.86%。
图 4e：EQE测试；Pta-NiOₓ/Me-4电致发光外量子效率 EQE_EL达到 8.15%。插图：器件电致发光实拍照片。
图 4f：ISOS-L-1I条件下 MPPT稳定性测试；Pta-NiOₓ/Me-4封装器件 2656h 维持 90% 初始 PCE（50±5℃，N₂气氛）。
图 4g：N₂气氛 25℃黑暗储存长期稳定性；Pta-NiOₓ/Me-4器件超过 4200h仍维持 90%初始平均效率。
图 5｜电池与组件的规模化光伏性能
图 5a：1cm²面积 Pta-NiOₓ/Me-4器件 J-V曲线；冠军效率 25.38%。插图为器件实物照片。
图 5b：17.7cm²、81.5cm²迷你组件 J-V曲线；组件效率分别为 23.42%、21.97%。插图为组件实物。
图 5c：本工作与已发表文献不同有效面积器件 /组件效率对比。
图 5d：狭缝涂布制备的 10×10cm²迷你组件实拍照片。
图 5e：封装迷你组件 MPPT工作稳定性；17.7cm²组件在模拟 1-sun 光照下，1200h 以上保持＞90% 初始 PCE。插图展示组件 P1-P3激光刻蚀互连结构示意图。
小面积器件制备空穴传输层
FTO基底清洗后紫外臭氧处理 10min。分别将六水硝酸镍与 Ery、Per或 Pta溶解于去离子水，加入尿素，定容至 200mL，调节 pH至 8.0-8.5，配制三种 NiOₓ前驱液。化学浴沉积 CBD在玻璃容器内进行，基底朝下水平固定在聚四氟乙烯支架上。每批次总基底面积控制为 100cm²；不搅拌，烘箱 70±1℃保温 3.5h。沉积完成后超声清洗，氮气吹干，285℃退火 2h。退火后转移至 N₂手套箱。 小面积、1cm²器件：Me-4乙醇溶液（1mg・mL⁻¹）旋涂，4000rpm，30s； 5×5cm²、10×10cm²大基底：狭缝涂布制备 Me-4层；间隙 150μm，涂布速度 12mm・s⁻¹；5cm宽度供液速率 3μL・s⁻¹，10cm宽度供液速率 6μL・s⁻¹；105℃退火 10min。钙钛矿层前驱体配方：CsI、MAI、FAI和 PbI₂（过量 5.5mol%）溶解于 DMF:DMSO=4:1（体积比），添加 15mol% MACl作为加工添加剂。旋涂工艺：1000rpm10s，接着 4000rpm40s；第二阶段第 8s滴加 160μL氯苯反溶剂；105℃退火 35min。退火后旋涂 PDAI₂:3MTPAI（1:1质量比，2mg・mL⁻¹异丙醇溶液）做表面钝化，105℃退火 5min。电子传输层与电极高真空热蒸镀依次沉积 25nmC₆₀、6nmBCP、100nmAg；小面积器件有效面积由掩模限定为 0.0515cm²。
文献信息
Hao Yang, Yu Wang, Hongshi Li, Yuqiang Wu, Saisai Li, Xue Han, Di Wang, Zijin Ding, Yijia Han, Qiao Zheng, Letian Chen, Zhuowei Du, Thamraa Alshahrani, Cong Chen, Xiao-Ye Wang, Yuanzhi Jiang & Mingjian Yuan. Scalable and conformal nickel oxide for efficient perovskite solar modules. https://doi.org/10.1038/s41566-026-02012-z
来源：南开大学前沿交叉学科研究院
