27.09%高效稳定钙钛矿电池：原位聚合策略实现缺陷钝化与稳定性提升

钙钛矿太阳能电池在实际应用中面临两大瓶颈：一是缺陷诱导的非辐射复合和离子迁移限制效率提升，二是晶格应力影响长期稳定性。小分子添加剂能调控结晶和钝化缺陷，而聚合物在抑制离子迁移和缓解应力方面更具优势。因此，将两者功能协同整合，有望同时实现高效率与长寿命。美能PL/EL一体机测试仪可提供全流程的缺陷检测与工艺优化支持。

本文提出在钙钛矿前驱体中加入一种名为MPC的两性离子化合物。MPC在成膜过程中原位聚合形成P-MPC弹性体，该弹性体均匀分布于晶界，能够同时优化结晶、钝化缺陷、抑制离子迁移并释放残余应力。最终制备的器件获得了27.09%的冠军效率（认证26.69%），并在多种老化条件下展现出优异的稳定性。

MPC的相互作用机制与结晶/缺陷调控

MPC 的相互作用机制与结晶调控

首先比较了MPC与两种类似单体（EGMP、DM）的效果。MPC同时含有带负电的磷酸基和带正电的季铵基，其静电势最小值更低（-0.093 eV），偶极矩更大（14.58 Debye），因此与未配位Pb²⁺的配位能力最强，钝化效果最佳。实验表明，MPC修饰的器件平均PCE达27.01%，明显优于对照组的24.9%。

通过NMR和FTIR证实，MPC中的P=O与Pb²⁺发生配位作用；在退火过程中，MPC通过C=C双键聚合形成P-MPC，同时薄膜中的-N⁺(CH₃)₃与PO₄⁻之间存在静电相互作用，形成动态非共价键。

XPS显示，P-MPC使Pb和I的结合能向低能方向移动，表明缺陷减少。

DFT计算进一步证实，P=O与Pb²⁺的吸附能为-0.86 eV，并存在电荷转移；引入MPC后，碘空位和铅空位的缺陷形成能分别从1.84 eV和3.02 eV提高到2.21 eV和3.42 eV，说明缺陷被有效抑制。

原位PL监测显示，含MPC的薄膜在旋涂过程中成核更快，在退火过程中PL强度下降更小，表明表面缺陷被钝化。

薄膜质量与应力释放

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均匀化钙钛矿薄膜

XRD和SEM显示，P-MPC薄膜结晶度更高，晶粒更大且均匀，无残余PbI₂，晶粒垂直生长有利于电荷传输。

AFM显示表面粗糙度从32.5 nm降至14.9 nm，KPFM表明表面电势更均匀且更p型。

稳态PL和TRPL显示，载流子寿命从134.69 ns延长至317.62 ns，非辐射复合被抑制。

通过GIXRD分析残余应力：对照薄膜表面（50 nm深度）张应力为42.44 MPa，底部（500 nm）为16.39 MPa；而P-MPC薄膜两处深度张应力均为8.29 MPa，说明沿晶界分布的弹性体有效释放了应力。

湿热稳定性

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增强钙钛矿薄膜的长期湿热稳定性

在85℃、20%相对湿度下老化1000小时后，对照薄膜的UV-vis吸收大幅下降，XRD中PbI₂峰显著增强，钙钛矿峰减弱；而P-MPC薄膜吸收仅轻微下降，PbI₂峰微弱，表现出优异的湿热稳定性。

器件性能与稳定性

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PSC 的光伏性能与稳定性表征

冠军P-MPC器件反向扫描PCE为27.09 %，VOC=1.184 V，FF=87.09 %，JSC=26.27 mA cm⁻²；对照器件为25.36 %。稳定输出PCE为26.71 %。认证效率26.69 %。30个器件统计显示P-MPC平均PCE为26.74 %，对照为24.66 %。

器件物理分析表明：TPV衰减时间从30.94 μs延长至74.64 μs（复合减少），TPC衰减时间从1.82 μs缩短至0.51 μs（传输改善）；EL外量子效率从1.97 %提升至6.82 %；内建电势从0.91 V升至1.04 V；复合电阻从5016 Ω增至10780 Ω；理想因子从1.57降至1.24。FF损失分析表明，电荷传输损失降低是FF提升的主因。

规模化与通用性

在5×5 cm²基板上制备的迷你组件（活性面积14.1 cm²）获得22.95%的PCE。将该策略应用于宽带隙（1.85 eV）和窄带隙（1.25 eV）钙钛矿，PCE分别从约17%提升至19.40%和从21.36%提升至23.21%，证明其在叠层电池中的潜力。

离子迁移抑制与稳定性

温度依赖电导率测得P-MPC薄膜的离子迁移活化能为0.95 eV，远高于对照的0.62 eV。

ToF-SIMS显示，光照500小时后对照器件出现卤素离子在电极处积累，而P-MPC器件保持均匀分布；同时P-MPC富集于晶界和界面，形成化学钝化-物理屏障。

综合稳定性测试

热循环（-40 ℃~85 ℃，200次）：P-MPC器件保留84.6 %初始PCE，对照仅47.3 %。

湿热（85 ℃，暗态，1000小时）：P-MPC保留92.6 %，对照保留49.9 %。

最大功率点跟踪（1000小时，1个太阳）：P-MPC保留96.1 %，对照保留70.6 %。

通过在钙钛矿前驱体中引入可聚合两性离子MPC，原位形成P-MPC弹性体，该弹性体锚定于晶界，实现结晶调控、缺陷钝化、应力释放和离子迁移抑制四重功能。所制器件实现了27.09%的高效率（认证26.69%）和优异的长期运行稳定性，为发展高性能、耐用的钙钛矿光伏技术提供了有效路径。

美能PL/EL一体机测试仪

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美能PL/EL一体机测试仪模拟太阳光照射晶硅太阳能电池片，均匀照亮整个样品，并用专业的镜头采集光致发光（PL）信号，获得PL成像；电致发光（EL）信号，获得EL成像。通过图像算法和软件对捕获的PL/EL成像进行处理和分析，并识别出PL/EL缺陷，根据其特征进行分析、分类、归纳等。

EL/PL成像，500万像素，实现多种成像精度切换

光谱响应范围：400nm~1200nm

PL光源：蓝光（可定制光源尺寸、波长等)

多种缺陷识别分析(麻点、发暗、边缘入侵等)可定制缺陷种类

美能PL/EL一体机可精准评估钙钛矿薄膜的缺陷密度与载流子复合行为，量化原位聚合两性离子弹性体（MPC）的钝化效果。针对MPC诱导快速成核、晶界应力释放、离子迁移抑制等关键结论，通过PL/EL双模成像监控薄膜的发光强度、载流子寿命变化及表面缺陷钝化均匀性，结果数据显示，P-MPC薄膜的稳态PL强度显著增强，TRPL载流子寿命从134.69 ns延长至317.62 ns，电致发光外量子效率（EQE_EL）从1.97%提升至6.82%，为工艺优化提供核心检测支撑。