大连理工大学银冰副教授、史彦涛教授， Angew观点：区域选择性原子层沉积AlOx实现钙钛矿电池埋底界面的完美封装- 大数跨境

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大连理工大学银冰副教授、史彦涛教授， Angew观点：区域选择性原子层沉积AlOx实现钙钛矿电池埋底界面的完美封装

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2026-02-05

导读：大连理工大学银冰副教授、史彦涛教授， Angew观点：区域选择性原子层沉积AlOx实现钙钛矿电池埋底界面的完美封装

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文章信息

埋底界面区域选择性原子层沉积AlO_x以制备高性能钙钛矿太阳能电池

第一作者：张杰

通讯作者：银冰*，史彦涛*

单位：大连理工大学

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研究背景

自组装单分子层（SAM）在提升钙钛矿太阳能电池（PSCs）性能方面展现出巨大潜力。然而，其表面覆盖不完全会暴露NiO_x表面的缺陷位点，导致不利的非辐射复合并加剧钙钛矿降解。为克服这些局限性，开发了一种区域选择性原子层沉积（AS-ALD）策略，该策略能精确地在暴露的NiO_x表面沉积超薄AlO_x层，同时保留SAM覆盖区域。这种方法通过阻止NiO_x与钙钛矿的直接接触有效抑制电荷复合，并利用AlO_x固有的负固定电荷来吸引空穴并排斥电子。重要的是，SAM覆盖区域不受影响，确保载流子提取畅通无阻。此外，沉积的AlO_x可减少易引发钙钛矿分解的有害Ni⁴⁺含量，从而显著提升器件性能和稳定性

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文章简介

近日，大连理工大学银冰与史彦涛教授团队在国际知名期刊上Angewandte Chemie International Edition发表研究论文，报道了埋底界面区域选择性原子层沉积AlO_x用于高性能钙钛矿太阳能电池的创新成果。该研究开发了一种区域选择性原子层沉积（AS-ALD）策略，能够在保持自组装单分子层（SAM）覆盖区域的同时，在暴露的NiO_x表面精确沉积超薄AlO_x层，有效提升了器件性能。

图 1 (a) 沉积在 NiOₓ/SAM 衬底上的 AlOₓ结构示意图。(b) AlOₓ在 NiOₓ/SAM 衬底上的选择性沉积反应示意图。(c) NiOₓ/AlOₓ、NiOₓ/SAM/AlOₓ及 NiOₓ/ 厚 SAM/AlOₓ衬底的 Al 2p 轨道 X 射线光电子能谱（XPS）。(d) 对照组衬底的 P 2p 核心能级 XPS 谱图。(e) 目标组衬底的 P 2p 核心能级 XPS 谱图

图 2 (a) 对照组和目标组衬底与钙钛矿粉末混合摇匀 24 小时后，甲苯溶液的照片。(b) 对照组和目标组衬底与钙钛矿粉末混合摇匀 24 小时后，甲苯溶液的吸收光谱。(c) 钙钛矿薄膜在空气中经不同时间紫外光老化后的照片。(d) 钙钛矿薄膜在空气中紫外光老化 240 分钟前后的 X 射线衍射（XRD）图谱。(e) 对照组钙钛矿薄膜在空气中紫外光老化 240 分钟期间的原位 XRD 图谱。(f) 目标组钙钛矿薄膜在空气中紫外光老化 240 分钟期间的原位 XRD 图谱。

图 3 (a) 分别沉积在 FTO/NiOₓ、FTO/NiOₓ/SAM（对照组）及 FTO/NiOₓ/AlOₓ/SAM（目标组）上的钙钛矿薄膜在 740 nm 处的瞬态反射衰减动力学曲线。(b) 无 AlOₓ的器件（对照组）、暴露 NiOₓ表面 50% 覆盖 AlOₓ的器件（50% AlOₓ）及暴露 NiOₓ表面 100% 覆盖 AlOₓ的器件（100% AlOₓ）的模拟 J-V 曲线。(c) 对照组衬底表面电势的开尔文探针力显微镜（KPFM）图像（2.5×2.5 μm）。(d) 目标组衬底表面电势的开尔文探针力显微镜（KPFM）图像（2.5×2.5 μm）。(e) 沉积在对照组和目标组衬底上的钙钛矿薄膜的光致发光（PL）光谱。(f) 沉积在对照组和目标组衬底上的钙钛矿薄膜的时间分辨光致发光（TRPL）光谱。(g) AlOₓ的作用机制示意图。

图 4 (a) 对照组和目标组器件的归一化瞬态光电压（TPV）曲线。(b) 对照组和目标组器件的电化学阻抗谱（EIS）测试奈奎斯特图。(c) 基于对照组和目标组衬底的空穴单载流子器件（ITO/HTL/PVK/PTAA/Ag）的空间电荷限制电流（SCLC）分析。(d) 对照组和目标组器件的开路电压（Vₒc）随光强变化关系曲线。(e) 对照组和目标组器件的暗态 J-V 曲线。(f) 对照组和目标组器件的莫特 - 肖特基曲线。

图 5(a) 对照组和目标组器件的 J-V 曲线。(b) 对照组和目标组器件的外量子效率（EQE）谱及积分短路电流密度（J_SC）。(c) 活性面积为 64.68 cm² 的对照组和目标组钙钛矿组件的 J-V 曲线。(d) 钙钛矿太阳能电池（PSCs）在恒定偏压下的时间依赖性稳定功率输出（SPO）测试结果。(e) 未封装钙钛矿太阳能电池在空气中（25℃、40±5% 相对湿度，ISOS-D-1 协议）的光电转换效率（PCE）演变。(f) 未封装钙钛矿太阳能电池在氮气填充手套箱中 85℃连续加热条件下（ISOS-D-2 协议）的 PCE 演变。(g) 未封装钙钛矿太阳能电池在氮气填充手套箱中 25℃连续 1 - 太阳光照条件下（ISOS-L-1 协议，最大功率点跟踪）的 PCE 演变。

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本文要点

要点一：创新的界面工程策略：区域选择性原子层沉积

本文最核心的创新点是开发了一种区域选择性原子层沉积策略。该策略巧妙地利用了自组装单分子层和氧化镍表面化学性质的差异。在暴露的NiO_x表面：NiO_x表面的羟基和晶格氧可作为活性位点，使三甲基铝前驱体发生化学吸附并成功沉积AlO_x。在SAM覆盖区域：SAM分子的惰性烷基尾端缺乏活性位点，有效抑制了AlO_x的沉积。这种选择性使得AlO_x能够精确地、选择性地覆盖在SAM未覆盖的NiO_x缺陷区域，而不影响SAM分子功能性的完整区域。

要点二：多重界面增效机制协同作用

沉积的超薄AlO_x层在界面处发挥了多重积极作用，形成了协同增效：物理隔绝与缺陷钝化：AlO_x层在暴露的NiO_x区域形成了致密的覆盖层，阻断了钙钛矿与NiO_x表面的直接接触，有效钝化了界面缺陷态，抑制了非辐射复合。静电场调控：AlO_x固有的负固定电荷能够吸引空穴并排斥电子，进一步减少了界面处的电子-空穴复合。保持高效空穴传输：最关键的是，SAM覆盖的区域未被AlO_x影响，确保了空穴通过SAM/NiO_x通道的传输畅通无阻。

要点三：显著增强界面化学稳定性

AlO_x中间层极大地提升了埋底界面的化学稳定性。抑制Ni⁴⁺有害反应：XPS分析表明，AlO_x的沉积减少了NiO_x表面高活性Ni⁴⁺的含量。浸泡实验和紫外-可见吸收光谱证明，AlO_x有效抑制了Ni⁴⁺氧化钙钛矿中I⁻生成I₂的有害反应。提升紫外光稳定性：在紫外光老化实验中，基于改性基底（Target）的钙钛矿薄膜表现出卓越的结构稳定性，而对照组（Control）的薄膜则迅速分解变色。原位XRD结果直观展示了AlO_x层对紫外诱导降解的显著抑制作用。

要点四：卓越的光伏性能与稳定性

高效率：小面积器件实现了26.41%的冠军光电转换效率，其开路电压和填充因子均得到显著提升。同时，该方法展现出良好的可扩展性，制备的64.68 cm2面积组件效率也达到了20.88%。高稳定性：器件在多种严苛条件下均表现出优异的稳定性：暗存储1500小时后保持95%。初始效率85°C高温老化800小时后保持80%初始效率连续1个太阳光照下运行1300小时后仍保持90%的初始效率。

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文章链接

Area-Selective Atomic Layer Deposition of AlO_xat the Buried Interface for High-Performance Perovskite Solar Cells”

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c01465

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通讯作者简介

银冰副教授简介：大连理工大学副教授，博士生导师。研究方向为柔性电子器件/钙钛矿太阳能电池。先后主持国家级及省部级项目多项。在包括Nature，Nature communications，Angew，Nano letters，Nano Energy，Analytical Chemistry 等杂志上发表SCI论文30余篇。

史彦涛教授简介：史彦涛，1981年生，毕业于清华大学，现任大连理工大学化学学院教授/博导，入选教育部“长江学者奖励计划”青年学者。主要从事新型光电材料与器件研究，通过器件结构设计、功能材料开发以及载流子动力学调控，实现了高性能光伏器件。作为第一或通讯作者在Nature Energy、Joule、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等权威学术期刊发表SCI论文100余篇，引用7200余次，授权专利30余项。获得包括辽宁省自然科学二等奖（第一完成人）在内的多项荣誉和奖励。入选“兴辽英才计划”青年拔尖人才。担任Advanced Powder Materials、Smart Molecules, Materials期刊编委。

史彦涛教授的主要研究方向：

1.单原子电催化剂的可控制备及性能研究：单原子材料能够实现原子利用率最大化，且具有较强的载体效应和电子效应。其明确的结构有助于探究构效关系，在电催化ORR、OER、HER等方面展现了其较强的活性和选择性，具有重要的研究价值。

2.钙钛矿太阳能电池的功能材料制备其器件性能调控：太阳能电池是直接将太阳能转变成电能的装置，太阳能电池的发展经历了三个阶段。其中钙钛矿太阳能电池由于制备工艺简单，成本低廉等优势受到了人们的广泛关注。钙钛矿太阳能电池的光电转换效率追平了发展数十年的多晶硅太阳能电池和化合物薄膜太阳能电池，从而成为最具有商业应用前景的新一代太阳能电池技术。