混合沉积法制备效率26.46%的钙钛矿/有机叠层电池及其稳定性研究

近年来，钙钛矿基叠层太阳能电池因理论效率高于单结电池受关注，其中宽禁带（>1.8 eV）钙钛矿是提升钙钛矿/有机叠层性能的关键，针对传统溶液法使用有毒溶剂且难以规模化的问题，本研究采用绿色、可扩展的真空辅助混合沉积工艺，并引入PACI添加剂，有效调控了钙钛矿的面内堆叠行为，显著提高了晶体质量和载流子传输性能。美能钙钛矿最大功率点追踪测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。

基于该工艺制备的单结宽禁带钙钛矿电池效率达到17.48%，开路电压超过1.315 V；进一步构建的两端钙钛矿/有机叠层电池效率提升至26.46%（认证效率25.82%），并在400小时连续运行后仍保持90%的初始效率，表现出优异的稳定性。目前，混合沉积技术已在钙钛矿/硅叠层中实现超过32%的效率，且大面积组件效率达26.3%，充分体现了该方法对叠层电池产业化发展的推动价值。

薄膜的制备与晶体结构调控

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a制备过程示意图；b对照组和 c 目标组薄膜的截面SEM图像；退火过程中 d 对照组和 e 目标组WBG钙钛矿薄膜（100）晶面的原位同步辐射GIWAXS图；f 退火后对照组和 g 目标组薄膜的GIWAXS图；h PA分子在（100）和（110）晶面上的计算结合能；i 退火过程中晶体生长示意图

采用三源（PbI₂、PbBr₂、CsBr）共蒸结合溶液旋涂的混合工艺制备钙钛矿薄膜，通过在有机阳离子溶液中添加10 mol%的PACI调控晶体生长。SEM显示目标组薄膜显示出更好的晶粒质量和更少的垂直方向晶界。XRD分析表明两组均形成良好的钙钛矿相，但目标组的（100）和（200）晶面织构系数更高（2.44 vs. 2.32），表明晶体取向性增强。原位GIWAXS进一步观察到，PACI的引入引导（100）晶面在退火过程中逐渐形成高度有序的面朝上堆叠结构，而对照组则始终保持无序状态。这种取向生长有利于减少晶界和缺陷，促进载流子传输。

为探究PACI的作用机制，¹H NMR分析发现PACI在高温退火后从薄膜中逸出，表明其作为临时模板剂发挥作用。DFT计算揭示PACI中的PA分子与钙钛矿（100）面的结合能（-1.09 eV）高于（110）面（-0.88 eV），从而优先吸附并引导（100）晶面朝外生长。

光学特性与载流子动力学

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a对照组和目标组钙钛矿薄膜的PL光谱;b 共聚焦PL映射图和 c TRPL测试结果;d对照组和g目标组薄膜的AFM形貌图及相应的TP-AFM扫描区域标记（红色框，100 × 100 nm²）;e对照组和h目标组薄膜的TPV载流子复合寿命映射图;f 对照组和 i 目标组薄膜的扩散长度映射图

光致发光（PL）光谱显示添加PACI的目标组薄膜的PL强度显著增强，共聚焦PL映射图显示其发光均匀性更好，时间分辨PL（TRPL）显示载流子寿命延长。空间电荷限制电流（SCLC）测试表明，目标组的缺陷态密度从对照组的0.86×10¹⁵ cm⁻³降至0.65 × 10¹⁵ cm⁻³。

通过瞬态光响应原子力显微镜（TP-AFM）对纳米尺度的载流子动力学进行映射。结果表明，目标组在晶粒和晶界区域的复合寿命均延长，传输时间缩短。统计分析显示，目标组中扩散长度（LD）超过233 nm的载流子比例从43.7%（对照组）提升至66.8%，增幅超过20%。证实了PACI通过优化结晶质量和取向，有效提升了载流子的提取和传输效率。此外，目标组薄膜在空气中的相稳定性也得到显著提升。

单结 WBG 钙钛矿电池的性能

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a 电流密度-电压曲线;b 最大功率点（MPP）跟踪;c EQE曲线及积分电流密度;d-g 不同PACI浓度对电池性能参数（PCE, Voc, Jsc, FF）的影响统计箱线图

基于优化后的薄膜，制备了单结钙钛矿太阳能电池（结构：Glass / ITO / Me-4PACz / Perovskite / C₆₀ / SnOₓ / Ag）。目标组最优电池实现了17.48%的光电转换效率（PCE），Voc高达1.315 V，FF为82.33 %，Jsc为16.14 mA/cm²，各项参数均优于对照组（16.64%）。最大功率点跟踪（MPPT）验证了电池的输出稳定性。外量子效率（EQE）积分电流与J-V测试结果一致。高分辨率EQE分析显示，目标组的Urbach能量（Eu）降至19.59 meV （对照组 20.15 meV），表明薄膜的子带隙缺陷态减少，材料有序性得到提升。

钙钛矿 / 有机叠层电池的性能

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a电池的截面SEM图像;b J-V曲线（活性面积 = 0.05 cm²）;c 16个叠层电池效率的统计分布;d EQE曲线及各自的积分电流密度;e 由SIMIT认证的器件J-V曲线;f 近三年来报道的钙钛矿/有机叠层电池效率总结;g 最大功率点（MPP）跟踪稳定性测试（ISOS-L-1协议）

将1.84 eV钙钛矿作为前电池，与窄带隙（1.38 eV）有机子电池（PM6:Y18体系）集成，制备了两端单片钙钛矿/有机叠层电池（结构：ITO / Me-4PACz / Perovskite / C₆₀ / SnOₓ / ITO / MoOₓ / Organic / PDINN / Ag）。最优叠层电池实现了26.46 %的效率，Voc高达2.120 V，FF为82.08%，Jsc为15.21 mA/cm²，且16个电池的效率分布集中，表现出良好重复性。EQE测试显示两个子电池的积分电流密度高度匹配（钙钛矿: 14.97 mA/cm²; 有机: 14.93 mA/cm²），证实了良好的电流平衡，该结果经第三方独立认证（SIMIT），认证效率达25.82%，是当前已报道的钙钛矿/有机叠层电池的最高效率之一。在ISOS-L-1测试协议下，封装后的叠层电池连续运行400小时后，仍能保持90%的初始效率，展现了优异的运行稳定性。

本研究成功实现了 1.84 eV 钙钛矿的混合沉积，为 WBG 钙钛矿的绿色制备提供了可持续方案。通过添加PACl，有效调控了阳离子与卤化铅的相互作用，实现了（100）晶面的主导面朝上堆叠生长。该叠层电池在 ISOS-L-1 协议下经 400 h MPPT 测试后，仍保持初始效率的 90%，稳定性优异。本研究为钙钛矿基叠层太阳能电池的规模化发展提供了切实可行的设计思路。

钙钛矿最大功率点追踪测试仪

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钙钛矿最大功率点追踪测试仪采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源，以其先进的技术和多功能设计，为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。 3A+光源，真实还原各场景实际光照条件

配恒温恒湿箱，满足IS0S标准

多型号电子负载可选，多通道独立运行

未封装器件配氮气夹具，防水氧侵蚀

美能钙钛矿最大功率点追踪测试仪主要应用于成品钙钛矿单结，叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响，其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点，能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量，还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。

原文参考：Regulating wide-bandgap perovskite face-on stacking in hybrid-deposited perovskite/organic tandem solar cells

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