兰州大学最新AM:界面锚定技术实现高效n-i-p钙钛矿微型组件效率超24%

钙钛矿太阳能电池虽在实验室小面积电池中取得了超过27%的惊人效率，但在向大面积模组推广时，其性能出现显著衰减。这一瓶颈的核心在于钙钛矿与电子传输层（如SnO₂）之间的“埋底界面”。在放大制备过程中，该界面缺陷加剧、非辐射复合显著增强，导致严重的载流子损失，从而制约了模组的效率与稳定性。美能钙钛矿复合式MPPT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。

本研究提出了一种创新的界面工程策略：采用一种绿色、水溶性的四磺酸基卟啉分子（ZnTPPS） 作为界面修饰层。该分子设计巧妙，能通过其两侧的磺酸基团，分别与SnO₂层的Sn原子和钙钛矿中的Pb离子形成稳固的化学配位，如同“分子锚”一样垂直固定在界面，有效钝化缺陷。同时，该分子具有强大的固有偶极矩（10.12 D），能在界面处建立内置电场，显著促进电子的提取与传输。这项工作为攻克钙钛矿光伏技术规模化应用中的界面难题，提供了一条高效且环境友好的解决路径。

解决方案：绿色卟啉分子设计

a) 卟啉分子结构式；b) 卟啉分子的静电势分布图；c) 结合能计算和电荷密度差分图；修饰前后SnO₂的d) Sn 3d和e) O 1s 的XPS谱图；修饰前后钙钛矿（PVSK）的f)Pb 4f 、g)I 3d 的XPS谱图；h, i)FTIR光谱

为解决这一难题，本研究设计了一种名为ZnTPPS的水溶性四磺酸基卟啉分子作为界面“桥梁”。该分子的核心优势在于：

双面锚定：其四个磺酸基团中的两个与SnO₂表面的Sn原子牢固结合，另外两个则与钙钛矿中的Pb离子配位，从而垂直锚定在界面，像“分子胶水”一样紧密连接两层。

强偶极矩：磺酸基的强吸电子特性，与锌离子中心形成显著的电势差，赋予分子高达10.12 D的强固有偶极矩。这如同在界面建立了一个内置电场，极大地促进了电子从钙钛矿向SnO₂的快速提取与传输。

实验设计与材料制备

ZnTPPS 的设计与优势

ZnTPPS 通过乙酸锌与 TPPS 的金属化反应制备，其最大特点是水溶性优异—— 四个磺酸基团使其可通过水溶液工艺轻松修饰 SnO₂表面，避免了传统有机修饰剂依赖有机溶剂的环境问题。

为验证ZnTPPS的优势，研究以自由碱卟啉（H₂TPPS）、未磺化卟啉（ZnTPP）及其他金属化卟啉（CuTPPS、NiTPPS）作为对照，结果显示：Zn（II）的全充满 d¹⁰构型能促进轨道极化与电荷离域，而 Cu（II）（d⁹）、Ni（II）（d⁸）会产生局域电子态，反而抑制电荷传输。

电池与组件制备流程

太阳能电池制备：先将氟掺杂氧化锡（FTO）玻璃基板用丙酮、去离子水、异丙醇依次超声清洗；通过 CBD 法沉积致密 SnO₂ ETL，随后用 ZnTPPS 水溶液进行表面修饰；钙钛矿前驱体（含 PbI₂、FAI、MACl 等）通过两步旋涂成膜，经退火后形成钙钛矿层；

再沉积 MeO-PEAI 表面钝化层与 Spiro-OMeTAD 空穴传输层（HTL），稳定性测试中则用无 Li-TFSI 的 PEDOT：CuPC 杂化 HTL 替代；最后热蒸发金电极，并旋涂抗反射涂层，所有步骤均在受控气氛（20-25℃，湿度 < 20%）下完成。

太阳能组件制备：基础流程与电池一致，额外增加三步激光刻蚀（P1 刻蚀 FTO、P2 刻蚀钙钛矿与 HTL 以暴露 FTO、P3 分离金属与功能层），实现多个电池单元的串联

实验结果与核心机制

理论计算和实验表征共同揭示了ZnTPPS的工作机制和卓越效果：

a) 未修饰SnO₂和b)ZnTPPS修饰后SnO₂的SEM图像；c) 未修饰SnO₂薄膜和d) ZnTPPS修饰后SnO₂薄膜的AFM图像；e)未修饰SnO₂薄膜和f) ZnTPPS修饰后SnO₂薄膜的C-AFM分析；g)修饰前后SnO₂薄膜的透射光谱；h)在修饰前后SnO₂薄膜上的接触角测试

SnO₂层优化：XPS和FTIR光谱直接证明了ZnTPPS与SnO₂和钙钛矿均形成了稳定的化学配位，有效钝化了界面缺陷。电子电池的测试表明，界面陷阱密度从3.14×10¹⁵ cm⁻³大幅降至1.27×10¹⁵ cm⁻³。

a) 从器件中剥离埋底界面的示意图；b) 从未修饰SnO₂和c) 从ZnTPPS修饰SnO₂上剥离的钙钛矿薄膜底面SEM图像；d) 修饰前后钙钛矿薄膜形成过程的原位GIWAXS测量；e) 未修饰基底和f) ZnTPPS修饰基底上钙钛矿薄膜的2D GIWAXS图（X射线入射角0.3°）；g) 从薄膜顶部测量和h) 从ETL侧测量的PL光谱；i) 电子器件的电流-电压曲线

钙钛矿结晶改善：ZnTPPS修饰提高了SnO₂薄膜的平整度和导电性，并增强了其表面润湿性，引导钙钛矿形成更均匀、结晶质量更高的薄膜。原位GIWAXS显示，修饰后钙钛矿的结晶过程更缓慢、可控，最终获得晶粒更大、缺陷更少的活性层。

不同ψ角下，a)SnO₂上钙钛矿薄膜和b)SnO₂/ZnTPPS上钙钛矿薄膜的GIXRD图谱；c)对应衍射峰（2θ）的残余应变随sin²ψ的变化关系；d)未修饰SnO₂和e)ZnTPPS修饰后SnO₂的表面电势图；f)在未修饰SnO₂和g)在ZnTPPS修饰SnO₂上沉积钙钛矿薄膜后的表面电势图；h)器件中各层的能级示意图；i)修饰前后SnO₂的UPS谱图

优化能级：KPFM和UPS测试表明，ZnTPPS的强偶极矩优化了SnO₂与钙钛矿之间的能级对齐，降低了电子注入势垒，从而提升了电荷分离效率，抑制了复合。

缓解应变：GIXRD分析发现，ZnTPPS修饰还有助于释放钙钛矿薄膜在生长过程中产生的拉伸应力，转变为更稳定的压应力，提升了电池的结构稳定性。

卓越的性能与稳定性

a) 不同光强下，SnO₂和ZnTPPS修饰SnO₂基底上钙钛矿薄膜的QFLS图；b) 基于QFLS-光强关系绘制的伪J-V曲线；c) 计算的SnO₂和SnO₂/ZnTPPS基底上钙钛矿薄膜的QFLS图；d) 器件的暗态I-V曲线；e) Mott-Schottky分析；f) EIS谱图；g, i) ZnTPPS/SnO₂界面和h, j) ZnTPPS/钙钛矿界面的的电荷密度差分（Δρ）映射图及其沿z轴的积分剖面图。k, l) 界面的局域态密度（LDOS）图

基于此策略制备的电池实现了破纪录的效率：

小面积电池（<0.1 cm²） 的最高效率达到26.66%。

大面积迷你模组（21.54 cm²）的效率达到24.49%（并获得23.95%的独立认证），这是目前n-i-p结构模组的最高效率之一。其填充因子超过84%，同样处于顶尖水平。

a) 器件的截面SEM图像；b) 最佳性能PSCs的正向（FS）和反向（RS）扫描J-V曲线；c) 6 × 6 cm² 钙钛矿模组（8个子电池）照片；d) 相同曝光时间下，在有无ZnTPPS处理的SnO₂基底上钙钛矿薄膜的PL mapping图；e) 最佳PSM的电流-电压（I-V）曲线；f) PSM的效率演变（与文献对比）；g) 在1个太阳光模拟照射下连续进行1537小时的最大功率点（mpp）跟踪

更重要的是，ZnTPPS修饰带来了显著的稳定性提升。在连续1500小时的最大功率点跟踪测试后，采用稳健空穴传输层的修饰电池仍能保持90%的初始效率，远优于未修饰电池的70%，展现出优异的运行耐久性。

本研究提出了一种基于ZnTPPS 的界面工程策略，通过“双重配位 + 强偶极矩”的协同机制，有效解决了 n-i-p 钙钛矿电池规模化的界面难题：既实现了SnO₂/ 钙钛矿界面的缺陷钝化，又增强了载流子传输效率，最终使小面积电池 PCE 达 26.66%、大面积组件PCE 达 24.49%（认证 23.95%），且具备优异的长期稳定性。该策略不仅环境友好（水溶液加工）、可规模化，还为钙钛矿光电电池的界面设计提供了通用思路，有望推动钙钛矿光伏技术从实验室走向实际应用。

钙钛矿复合式MPPT测试仪

Millennial Solar

美能钙钛矿复合式MPPT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，光源寿命10000h+，真实还原各场景实际光照条件

可选配恒温恒湿箱，满足IS0S标准

多型号电子负载可选，多通道独立运行

不同波段光谱输出可调：7.350-400nm/400-750nm/750-1150nm均独立可控

美能钙钛矿复合式MPPT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：Green Porphyrin Interface Anchoring Enables >24% Efficiency in n-i-p Perovskite Solar Minimodules

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