实现效率31.4%的纹理化钙钛矿/硅叠层电池：溴功能化二元混合SAM增强电荷提取与界面钝化

单片集成的钙钛矿/硅叠层太阳能电池因其高效率与潜在的低成本优势，已成为突破单结电池理论效率极限（33.7 %）的重要途径。在p-i-n型钙钛矿结构中，自组装分子（SAMs）作为可调控的空穴传输层，能够优化能级对齐、抑制界面复合，从而提升电池性能。然而，在工业化中广泛采用的纹理化硅衬底上，传统烷基链SAMs易发生团聚，导致覆盖不均匀，严重制约了叠层电池的效率与稳定性。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。

近期研究发现，部分商用SAM材料中的微量杂质可能对电池性能产生意外影响。本研究系统探究了溴（Br）杂质在基于二苯并[c,g]咔唑的SAMs中的作用，并在此基础上设计出兼具共轭连接体与溴取代的混合SAM体系，显著提升了纹理化钙钛矿/硅叠层电池的电荷提取效率与界面稳定性。

溴杂质的发现与分子设计

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A. 商用4PADCB的核磁共振氢谱中出现的溴代杂质信号。B. 纯相Bz-PhpPACz单晶结构显示C10位存在溴/氢共存现象。C. 不同Bz-PhpPACz/Bz-PhpPABrCz混合比例对单结电池性能的影响。D. 不同SAM在平滑ITO与粗糙FTO衬底上制备的电池填充因子对比。E. 在FTO上基于三种SAM的最佳单结电池电流-电压特性曲线。F. 钙钛矿在FTO与ITO上的表面形貌对比（扫描电镜图）

本研究以商用SAM材料4PADCB（C-4PADCB）为起点，通过¹H NMR谱分析发现其中存在微量溴代杂质4PABrDCB。进一步通过单晶X射线衍射证实，该杂质来源于分子中特定碳位（C10）的溴取代。这一意外发现解释了为何C-4PADCB在叠层电池中表现出优于纯共轭型SAM（Bz-PhpPACz）的性能。

基于此，研究团队合成了结构明确的溴代衍生物Bz-PhpPABrCz，并将其与Bz-PhpPACz按8:1体积比混合，形成“Mix”二元SAM体系。该设计融合了共轭连接体促进分子紧密堆积的优势，以及溴原子增强界面钝化与能级对齐的作用。

分子在纹理衬底上的行为与界面性质

A. 不同SAM在ITO/硅底电池上的表面覆盖因子及引起的功函数变化。B. 钙钛矿与不同SAM/ITO体系的能带对齐示意图。C. 分子密度随距离ITO表面高度的分布曲线。D. 分子动力学模拟展示不同SAM在ITO表面的吸附分布状态。E. 分子/ITO界面处的电荷密度差分图。F. DFT计算得到的分子堆叠能与界面相互作用能对比

覆盖度与能级排列

通过X射线光电子能谱（XPS）分析，Mix与Bz-PhpPACz在纹理化ITO/硅衬底上的覆盖因子显著高于C-4PADCB。

紫外光电子能谱（UPS）显示，Mix引起更大的功函数下移（0.42 eV），有利于降低空穴提取势垒。

密度泛函理论计算表明，溴原子的高电负性与分子偶极矩共同促进了这一能级调控。

分子堆积与吸附行为

分子动力学模拟显示，Mix在ITO表面上分布更均匀，而单一分子（如4PADCB或Bz-PhpPABrCz）则呈现聚集或无序排列。

径向分布函数分析进一步证实，共轭连接体有利于形成有序的π-π堆积结构，而溴的引入可通过分子间相互作用调节堆积方式。

与钙钛矿的界面相互作用

DFT计算表明，Bz-PhpPABrCz与钙钛矿表面存在较强的相互作用，溴原子可与未配位的Pb²⁺形成弱配位键，有效钝化界面缺陷，促进电荷转移。

溴对钙钛矿结晶与薄膜质量的影响

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A. 不同SAM上钙钛矿薄膜的二维掠入射X射线散射图谱。B. 钙钛矿（001）晶面取向的方位角分布。C. 基于X射线衍射数据威廉森-霍尔图计算的薄膜微应变。D. 钙钛矿薄膜的光学反射成像图。E. 钙钛矿薄膜的光致发光空间分布图。F. 不同SAM上钙钛矿准费米能级分裂值的统计分布。G. 准费米能级分裂的空间分布映射图

晶体取向与应变

掠入射广角X射线散射（GIWAXS）分析显示，纯Bz-PhpPACz上沉积的钙钛矿呈现垂直于衬底的取向，而Mix体系则使晶体取向更均匀。

Williamson-Hall方法分析XRD数据表明，Mix体系对应的钙钛矿薄膜晶格微应变最低（0.75），而纯Bz-PhpPACz和C-4PADCB分别为1.2和0.91。溴的引入可能通过卤素-卤素键的形成释放残余应力，从而减少薄膜褶皱。

光电性能与载流子动力学

绝对光致发光成像与准费米能级分裂（QFLS）测试表明，Mix体系钙钛矿薄膜具有更高的PL强度与更均匀的Δμ分布（1.32 eV），说明其界面质量更高、非辐射复合更少。

界面电荷转移与复合机制

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A. 波长分辨瞬态表面光电压测试示意图。B. 在不同激发光子能量（对应硅体、硅前表面及钙钛层激发）下，基于不同SAM的叠层电池的瞬态光电压响应。C. 不同分子的静电势表面分布图

采用波长依赖的瞬态表面光电压（Tr-SPV）技术，在不同激发能量下（1.1 eV、1.5 eV、1.8 eV）研究了叠层结构中的电荷提取与复合动力学：

在1.1 eV（硅体激发）与1.5 eV（硅近表面激发）下，Mix样品表现出更高的SPV信号与更快的电荷分离，说明其界面钝化效果更好、非辐射复合更低。

在1.8 eV（钙钛矿激发）下，Mix样品在早期即出现明显的负向SPV“凸起”，对应空穴在ITO/SAM界面的快速提取，且几乎无正信号（电子陷阱积累），表明其界面陷阱密度显著低于其他体系。

叠层电池性能与稳定性

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A. 电池截面结构示意图。B. 基于不同SAM的最佳叠层电池的电流-电压特性曲线及对应性能参数表。C. 叠层电池的外量子效率与光反射损失谱。D. 不同批次电池的开路电压与转换效率统计分布。E. 基于不同SAM的宽禁带单结电池在连续光照下的最大功率点跟踪稳定性测试结果

光电转换效率

基于工业级切克劳斯基（CZ）硅衬底，使用Mix SAM的钙钛矿/硅叠层电池实现了31.4 %的最高效率（VOC=1.98 V，FF=77.9%，JSC=20.6 mA/cm²），显著优于C-4PADCB（30.0%）与纯Bz-PhpPACz（27.8%）体系。外量子效率（EQE）测试显示各子电池电流匹配良好。

稳定性

在氮气环境中对1.68 eV宽禁带单结电池进行最大功率点跟踪测试（45°C，1 sun LED照明），1000小时后Mix体系电池仍保持初始效率的97%，而C-4PADCB与纯Bz-PhpPACz分别降至82%与86%。在65°C高温下，Mix体系仍保持91%的初始输出，表现出优异的耐热与光稳定性。稳定性提升归因于共轭连接体带来的紧密分子堆积，以及溴原子对界面缺陷的持续钝化。

本研究发现并验证了在SAM分子中合理引入溴官能团与共轭连接体的协同优势。溴元素能够钝化界面缺陷、调节能级对齐、释放钙钛矿晶格应变；而共轭结构则促进了分子在粗糙纹理表面的致密、有序堆积，提升了覆盖度与电荷传输效率。两者结合形成的二元混合SAM，成功解决了纹理钙钛矿/硅串联电池中界面电荷提取与稳定性难题，最终实现了超过31%的光电转换效率。此外，研究也提醒了商业SAM材料中无意杂质可能对界面性能产生的显著影响，强调了材料纯度控制与分子设计的重要性。这项工作为面向产业化应用的钙钛矿/硅串联电池界面工程提供了重要的分子设计见解与材料解决方案。

钙钛矿复合式MPPT测试仪

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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：Enhanced charge extraction in textured perovskitesilicon tandem solar cells via molecular contact functionalization

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