界面+体相协同调控推动钙钛矿叠层电池效率突破32.43%与稳定MPP输出

宽带隙钙钛矿太阳能电池是突破硅电池效率极限、构建高效硅基叠层器件的关键。然而，该类电池在实际应用中面临两大耦合难题：在埋底界面处，空穴传输层在粗糙的织构硅表面难以实现均匀覆盖，导致界面接触不良和载流子提取效率低下；在钙钛矿体相内，高溴含量引发的快速结晶过程易产生相分离和大量缺陷，严重制约器件的开路电压与运行稳定性。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。

本研究提出了一种基于氰基乙酸（CA）的协同调控策略，利用其羧基（-COOH）锚定基底、氰基（-CN）钝化缺陷的双功能特性，同时优化自组装单分子层覆盖率和钙钛矿薄膜质量，最终实现了效率为32.43%的织构硅/钙钛矿叠层电池，并显著提升了器件稳定性。

宽带隙钙钛矿面临的双重挑战

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硅/钙钛矿叠层太阳能电池被认为是突破单结电池效率极限的关键技术，尤其是与工业化的织构硅基底结合时，兼具高效率潜力和良好的产业兼容性。然而，在非平面的织构硅表面制备高性能叠层电池面临两大难题：

首先，在粗糙的金字塔绒面上形成均匀、紧密的空穴传输层与钙钛矿吸收层接触十分困难，容易引发局部漏电和载流子提取效率低下；

其次，宽带隙钙钛矿本身因高溴含量，在结晶过程中易产生相分离和大量缺陷，严重影响器件的开路电压和运行稳定性。

自组装单分子层因其高效的载流子提取能力而被广泛用作空穴传输层，但常用的Me-4PACz分子在沉积时容易聚集，导致覆盖不完全，同时其疏水性使得钙钛矿前驱体溶液难以在其表面均匀铺展，进一步加剧了界面处的非辐射复合和体相结晶的不均匀性。

氰基乙酸(CA)的双功能调控机制

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(a) 对照组器件与CA增强器件的结构示意图对比(b)光电转换效率统计分布图(c)J-V曲线及参数

氰基乙酸（CA）是一种含有羧基（-COOH）和氰基（-CN）的双功能小分子。研究团队将其同时引入Me-4PACz溶液和钙钛矿前驱体中，旨在发挥其桥梁和钝化作用。

在埋底界面处：CA的羧基（-COOH）能够锚定在氧化铟锡（ITO）基底上，同时氰基与Me-4PACz的膦酸基团相互作用，形成分子间桥接，有效抑制了Me-4PACz的聚集，显著提升了自组装单分子层的覆盖均匀性和界面能态一致性。

在钙钛矿体相内：CA的氰基（-CN）能够与欠配位的铅离子（Pb²⁺）配位，并稳定卤素离子，从而钝化缺陷、减缓结晶速率，最终形成更致密、均匀且缺陷密度更低的钙钛矿薄膜。

界面调控：自组装单分子层均匀性与相互作用

(a)混合溶液的¹³C核磁共振谱(b) 薄膜的P 2p XPS谱图(c)薄膜的O 1s XPS谱图(d) SAM和(e) SAM+CA的表面电势分布图，(f) 相应的接触电势差（CPD）分布；金字塔织构硅衬底上(g, i) SAM和(h, j) SAM+CA薄膜的HAADF-STEM图像

为了验证CA在界面处的调控作用，研究团队进行了一系列表征。核磁共振碳谱（¹³C NMR）显示，CA与Me-4PACz混合后，其特征峰发生位移，证实了两者之间存在直接的分子间相互作用。X射线光电子能谱（XPS）分析进一步发现，CA的引入增强了Me-4PACz与ITO基底之间的化学吸附（In-O-P/In-O-H键合比例显著增加），表明CA确实充当了分子桥，强化了界面结合。

KPFM的表征结果显示，引入CA后，自组装单分子层薄膜的表面接触电势差（CPD）分布半高宽从45 mV收窄至24 mV，表明界面能态紊乱被有效抑制，均匀性显著提升。更直观的证据来自高角环形暗场扫描透射电子显微镜图像：在金字塔织构硅衬底上，对照组的自组装单分子层覆盖不完整，而CA修饰后的样品则呈现出一层连续、均匀的暗色层，证明CA在粗糙表面上同样能促进自组装单分子层的均匀覆盖。

体相调控：钙钛矿薄膜质量与能态均匀性

SAM和SAM+CA+bulk钙钛矿薄膜(a) Pb 4f XPS谱图(b) I 3d XPS谱图；(c) SAM和(d) SAM+CA+bulk样品的钙钛矿薄膜顶视图SEM图像；(e) SAM和(f) SAM+CA+bulk样品的埋底HTL/钙钛矿界面SEM图像；(g) SAM和(h) SAM+CA+bulk样品的钙钛矿薄膜截面SEM图像；(i) SAM和(j) SAM+CA+bulk样品的表面电势分布图，(k) 相应的CPD分布

在钙钛矿体相中，XPS分析显示，CA的引入使得Pb 4f峰向低结合能方向移动，表明氰基与欠配位Pb²⁺发生了配位，从而钝化缺陷并稳定了Pb-I键合环境。扫描电子显微镜（SEM）图像清晰地展示了CA对薄膜形貌的改善：对照组钙钛矿薄膜晶界处存在大量明亮的残余碘化铅（PbI₂），且埋底界面处存在许多由非均匀成核引起的纳米 voids；而CA修饰后的薄膜晶界干净，界面致密无 voids，截面图像也显示出更均匀的晶体结构和更少的缺陷。

KPFM对钙钛矿顶表面的测试同样证实了能态均匀性的提升：对照组的接触电势差分布呈现宽而双峰的形态（半高宽47 mV），而CA优化后的薄膜则呈现窄而单峰的分布（半高宽24 mV），表明其光电性质的均质性显著增强。

机理探究：缺陷抑制与非辐射复合的减少

(a) 实验J-V曲线（圆圈）及其使用修正细致平衡模型（插图）的拟合曲线（实线）；(b) 从J-V拟合中得到的PCE损失分解；(c-e) DLTS缺陷分析；(f)ELQY测量结果；(g)反向击穿电压测量结果

为定量解析性能提升的机理，研究团队采用修正的细致平衡模型对J-V曲线进行了拟合分析。结果显示，CA的引入系统性地抑制了表面和体相的非辐射复合。仅在自组装单分子层中加入CA，表面复合损失就降低了46%，串联电阻损失也大幅下降；当CA同时加入体相后，表面和体相的复合损失进一步降低，证实了CA通过先优化界面、再稳定体相的协同路径来提升器件性能。

深能级瞬态光谱（DLTS）探测到了深能级缺陷态的变化。在对照组器件中，检测到了一个电子陷阱（D1）和一个空穴陷阱（D2）；而在CA全面优化的器件中，空穴陷阱完全消失，仅存的一个电子陷阱（D3）虽然能级相近，但其俘获截面小了一个数量级以上。这表明CA有效钝化了与卤素间隙、欠配位卤素离子等相关的深能级缺陷，从而抑制了陷阱辅助的非辐射复合和离子迁移。

这一结论得到了电致发光量子效率（ELQY）测试和反向偏压测试的支持：优化后器件的ELQY是对照组的4.7倍，反向击穿电压也从-5.52 V提升至-9.61 V，显示出更强的界面鲁棒性和缺陷抑制能力。在65°C下的最大功率点追踪（MPP）测试中，优化后器件在1000小时后仍能保持96.5%的初始效率，而对照组在400小时后已衰减至80%左右。

织构叠层器件中的性能验证

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织构硅/钙钛矿叠层电池的(a)器件结构示意图(b)截面SEM图像；(c)冠军叠层器件的J-V曲线及稳态PCE（通过超过300秒的MPP追踪确定）；(d)叠层器件的PCE分布图；(e)电池的EQE谱以及1-反射率（记为1-R）；(f) 长期运行稳定性（MPP追踪）；(g-j) 在1 V偏压下，器件金字塔尖顶区域的截面KPFM图像及电势分布剖面图

基于CA在织构硅衬底上表现出的优异界面调控能力，研究团队将其应用于织构硅/钙钛矿叠层太阳能电池。优化后的叠层器件冠军效率达到32.43%（开路电压1.983 V，短路电流密度19.83 mA/cm²，填充因子82.50%），显著高于对照组的30.78%，并获得了独立认证机构31.70%的稳态效率确认。

更重要的是，优化后的叠层器件在空气中连续MPP追踪1000小时后，仍能保持93%的初始效率，而对照组在550小时后仅剩82%。

通过截面KPFM测试，研究团队进一步揭示了性能提升的内在原因。结果显示，CA优化后的器件在空穴传输层/钙钛矿和钙钛矿/电子传输层界面处的电场分布更均匀，尤其在金字塔绒面的尖顶和谷底区域，界面电场峰值比更接近，表明CA实现了不同几何区域更平衡、更高效的电荷分离和提取。

本研究提出的氰基乙酸双功能协同调控策略，通过分子层面的设计，同时解决了宽带隙钙钛矿太阳能电池中埋底界面不均匀和体相缺陷严重两大核心问题。该策略不仅显著提升了单结和叠层器件的效率与稳定性，更提供了一种构建能量上连贯、缺陷容忍的界面与体相结构的设计思路，为未来高性能光电器件的可控制备和产业化应用提供了重要指导。

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：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：Unified Interface–Bulk Enhancements in Wide-Bandgap Perovskites Enabled by Bifunctional Cyanoacetic Acid for Textured Silicon/Perovskite Tandem Solar Cells

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