虽然NiO作为一种空穴传输材料（HTM）引起了关注，但在钙钛矿太阳能电池功能背景下，其固有行为的系统性计算研究仍然缺乏。在本研究中，使用带有Hubbard U修正的密度泛函理论和从头分子动力学（Ab Initio Molecular Dynamics，AIMD）模拟，对自旋极化的NiO进行了全面的第一性原理研究。通过状态方程验证了其结构稳定性，而弹性常数则确认了其机械强度。对机械性能的深入分析揭示了其卓越的不压缩性和延展性，随后进行了弹性各向异性计算。为了评估热稳定性，在300 K和800 K下进行了60皮秒的扩展AIMD模拟，确认了其显著的热稳定性。电子结构计算显示其拥有3.6 eV的宽禁带，而光学分析表明其具有高折射率，同时在可见光至红外区域表现出低吸收率和低反射率，表明光学损失极小。
使用 Spiro-OMeTAD 的缺点与理想 PSCs 空穴传输层（HTL）具备的优点。
这些研究结果建立了一个全面的理论框架，用于理解NiO的多功能行为，结合了机械柔性、耐热性以及良好的光电性能。
最近，科学界对钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）给予了大量关注，因为这项技术有望提供性能高且价格低的太阳能电池。事实上，钙钛矿材料丰富且廉价，同时它们具有优越的光电特性，这推动了PSCs的光电转换效率（PCE）在短短几年内从3.8%迅速提升至26.95%。尽管具有这些优异特性，但PSCs尚未进入市场产业化，因为还存在需首先解决的问题，特别是与空穴传输层（Hole Transporting Layer, HTL）相关的问题。该层应能够从钙钛矿层提取光生空穴并传输到电极。为了促进该过程并避免复合，需要HTL与吸光层之间的能级匹配，同时，也能有效地阻挡了从钙钛矿到HTL的电子。否则，电荷载流子将在HTL/钙钛矿界面处发生复合。空穴传输材料（Hole Transporting Materials, HTMs）主要可分为两类：有机的，如Spiro-OMeTAD及其衍生物、PEDOT:PSS和PTAA；无机的，如CuI 、CuSCN 、CuO和NiO。大多数PSCs所取得的高效率都是采用有机HTL，尤其是Spiro-OMeTAD。然而，该材料存在不稳定性问题，对无定形Spiro的钝化效果不佳，使H2O和O2可通过薄膜针孔进入钙钛矿层，其固有空穴迁移率和导电性都较低，该材料还有其它局限性。其中Spiro-OMeTAD的导电性和空穴迁移率限制可通过使用p型掺杂剂如t-BP、Li-TFSI和FK209来解决。然而，由于这些掺杂剂的迁移性和反应性，它们可能导致器件化学不稳定。
实际上，t-BP 被用来抑制光生电子的复合并改善界面接触，但t-BP 作为 Spiro-OMeTAD 掺杂剂导致了锂盐的聚集和吸湿，影响了太阳能电池的整体稳定性和效率。另一种常用的能够提高空穴迁移率的掺杂剂是 LiTFSI，这增加了水的吸收，从而导致钙钛矿层降解，器件效率下降。从光学角度来看，Spiro-OMeTAD 在可见光区域由于高反射率和吸收而存在损耗。光诱导氧化会带来双重问题：不仅加速了层的降解，还通过增加红外和可见光区域的光吸收而增强了光学损耗。这些问题严重影响了材料的光透射率，特别是在 p-i-n 结构中。
为了实现钙钛矿太阳能电池（PSC）的良好性能和长寿命，选择空穴传输材料（HTM）是一个重要因素，因为它可以改善器件中的光管理。理想的HTM应具备宽带隙、低光学损耗和高热稳定性。在PSCs中使用昂贵的HTM也颇具讽刺意味，因为这会削弱降低太阳能电池总体成本的初衷。在这种背景下，无机p型半导体因其有潜力与有机半导体竞争而受到更多关注。作为本研究的起点，作者侧重于基于p型半导体的简单合成技术和低价格进行选择，并随后运用第一性原理计算来研究原子尺度上的相关物理性质，因此选择落在NiO上。
NiO的电子能量损失谱（EELS）。电子能量损失谱（EELS）表示快速电子通过材料时所损失的能量。值得注意的是，能量损失来源于单电子激发和等离子体激发的混合。从上图可以看出，在3.62 eV以下，能量损失要么太小以至于无法在谱图中检测到，要么没有显著的激发过程发生。这解释了为什么在之前的结果中在这些区域未观察到带间跃迁。随着起始能量超过可见光范围的最大边缘，这表明NiO在低能量区域具有较高的光学透射率。此外，由于NiO在3.62 eV以下不导电，因此没有显著的电子传输，这对于空穴传输材料来说是一个关键特性，因为它应充当物理屏障，阻止电子从钙钛矿层传输到电极。在紫外区域，能量损失更多，等离子体峰位于24.60 eV。（消息来源：Ceramics Internationalhttps://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.11.013）
氧化镍作为钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的低成本空穴输运材料 (HTM)，仍然缺乏对其性质的原子尺度理解，因此需要进行深入的个别研究。在本研究中，我们通过评估其机械行为和弹性各向异性来弥补这些空白，提供了一个基于晶体学方向的机械响应视角。此外，我们通过进行长时间尺度（60 ps）从头分子动力学 (AIMD) 模拟，提供了其热稳定性的新的见解，展示了其在运行条件下的韧性。这一方法为实验人员在开发和设计高效光电子器件（特别是 PSCs）方面，以及理论研究者在构建异质结构之前优化每一层材料方面提供了理论框架，从而对该材料的理论理解及其在先进太阳能电池技术中的应用做出了关键贡献。
在本研究中，我们采用GGA+U和从头算分子动力学方法，全面研究了作为钙钛矿太阳能电池（PSCs）空穴传输材料（HTM）时氧化镍（NiO）的结构、弹性、力学、弹性各向异性、热学、光电和电荷密度特性。研究的弹性和力学性能证实了NiO的机械稳定性，同时展现了难压缩性与延展性兼具的优异特性。电子结构计算显示其为3.6 eV的间接带隙，而在300 K和800 K下进行的60 ps扩展AIMD模拟则表明其具有较强的耐热性。光学分析进一步显示其具有较高的折射率，同时在可见光至红外区具有相对较低的吸收率和反射率。此外，电子能量损失谱（EELS）显示在远紫外区域具有较高的能量耗散。综上所述，这些结果将NiO定位为一种兼具机械稳定性、热耐久性以及优异光电性能的多功能HTM，使其成为新一代钙钛矿太阳能电池的有力候选材料。通过澄清NiO的本征特性，本研究为未来掺杂或缺陷工程化NiO的研究提供了基础，并支持其作为下一代及柔性PSC的潜在HTM的持续开发。
