钙钛矿叠层电池效率与热稳定性提升：SHCl结晶调控FA-Cs Pb-Sn钙钛矿体系-电子发烧友网

全钙钛矿叠层太阳能电池因具备低成本溶液加工与高光电转换效率（PCE）潜力而受到广泛关注，大面积组件效率已达24.9%，但运行过程中的热不稳定性仍是制约其商业化的关键问题。这主要源于光生载流子在热弛豫与非辐射复合过程中以声子形式耗散能量并产生热量。对于窄带隙Pb-Sn钙钛矿体系，传统高效配方依赖甲基铵（MA），但其挥发性强、热稳定性差；尽管FA-Cs体系可提升热稳定性，Cs⁺却会降低成核能垒并导致快速且不均匀结晶，从而劣化薄膜质量。美能温湿度综合环境试验箱专为验证评估组件或材料的可靠性，能达到快速升温降温，提升测试效率，满足IEC61215等标准。

本研究引入p-π共轭氯盐SHCl作为结晶调控剂，通过调节Cs析出行为与晶体生长动力学，实现均匀成核与受控生长。基于该策略，器件在85°C下700小时后仍保持85%效率，叠层组件认证效率达24.3%，并在湿热与热循环测试中表现出优异稳定性。

结晶调控机制

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SHCl添加剂与FACs Pb-Sn钙钛矿之间的相互作用

钙钛矿薄膜的形成通常经历成核与晶粒生长两个阶段。根据LaMer模型，高质量薄膜的获得依赖于“快速且均匀成核”与“缓慢晶体生长”之间的动力学匹配。然而，在FA-Cs体系中，Cs⁺易诱导二次成核，拓宽成核时间窗口并加速后续晶体生长，导致晶粒尺寸及空间分布不均。

SHCl的引入显著调控了这一过程。首先，SHCl与CsI在溶液中发生离子交换反应生成CsCl沉淀和SHI，从而降低Cs组分的有效溶解度并提高体系过饱和度。过饱和度提升使体系自由能升高，当浓度波动超过临界阈值时，会触发短时间的“爆发式成核”，快速释放自由能，从而抑制Cs诱导的非均匀成核行为。

动态光散射结果表明，引入SHCl后前驱体溶液中形成尺寸更小、分布更窄的胶体簇，有利于均匀成核。原位光学显微观察进一步证明：未添加SHCl时体系存在持续且不均匀的成核过程，而SHCl体系在初始阶段即可形成高密度且均匀分布的晶核，并在随后阶段实现缓慢而均匀的晶体生长，从而显著提升薄膜均匀性。

分子作用与晶体生长调控

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FACs Pb-Sn钙钛矿的结晶调控过程

SHCl分子具有显著的p-π共轭效应，其氮原子的孤对电子与羰基π电子发生离域，提高分子极性与配位能力。理论计算表明，SHCl与钙钛矿组分之间的结合能显著高于其他类似添加剂（如GlyHCl和AAH），并可同时与A位阳离子（FA⁺、Cs⁺）及B位金属离子（Pb²⁺、Sn²⁺）发生配位作用。

X射线光电子能谱（XPS）结果显示，引入SHCl后Pb和Sn的结合能向低能方向偏移，表明其与晶格之间存在较强相互作用。该相互作用有效延缓晶体生长速率，使晶粒逐步形成并充分重排，从而获得致密且均匀的钙钛矿薄膜。

薄膜形貌与器件性能

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刮刀涂布制备的FACs Pb-Sn钙钛矿的光电性能

扫描电子显微镜（SEM）表明，SHCl处理后的钙钛矿薄膜具有更大的晶粒尺寸和更明显的垂直取向结构，同时Cs⁺在膜厚方向分布更加均匀；相比之下，对照样品在底部存在孔洞且元素分布不均。

在光电性能方面，SHCl显著抑制非辐射复合。其稳态光致发光（PL）强度明显增强，载流子寿命由346 ns延长至约597 ns。开路电压损失降低，器件理想因子由1.96降至1.58，表明陷阱辅助复合得到有效抑制。

最终，优化后的单结器件实现21.9%的最高效率（Voc = 0.88 V，Jsc = 30.9 mA·cm⁻²，FF = 80.4 %），显著优于对照器件（19.6%），且器件重复性良好，平均效率达到20.7%。

热稳定性提升机制

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刮刀涂布FACs Pb-Sn钙钛矿太阳能电池的性能与热稳定性

热稳定性测试表明，在85°C条件下，SHCl器件在700小时后仍保持85%的初始效率，而对照器件在400小时内即下降至约70%。XRD与SEM分析表明，对照样品在热老化过程中生成PbI₂杂相并伴随明显形貌退化，而SHCl处理样品保持结构稳定。

需要指出的是，SHCl并非通过直接提高材料本征热稳定性发挥作用，而是通过改善薄膜结晶质量与结构均匀性，从而抑制热诱导相分解与缺陷演化过程。

全钙钛矿叠层组件性能

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全钙钛矿叠层太阳能组件的光伏性能与稳定性

基于SHCl调控的窄带隙子电池，与宽带隙钙钛矿子电池构建单片集成叠层器件。小面积器件效率达到27.0%，而20.25 cm²组件实现24.7%的实验室效率，并获得24.3%的认证效率，为当前无MA全钙钛矿叠层组件的最高水平。

外量子效率（EQE）分析表明，器件电流主要受限于窄带隙子电池，后续性能提升仍需进一步提高其短路电流密度（Jsc）。

稳定性与可靠性

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封装组件在加速老化测试中表现出优异稳定性：

湿热测试（85°C/85% RH，200小时）：效率保持90%

热循环测试（−40°C至85°C，200次）：效率保持92%

连续光照MPP跟踪：550小时后保持90%，823小时后仍保持85%

上述结果表明，该体系在实现高效率的同时具备优异的环境稳定性。

本研究通过引入SHCl作为结晶调控剂，有效抑制了FA-Cs Pb-Sn钙钛矿体系中由Cs引起的非均匀结晶问题，其机制在于通过提高体系过饱和度诱导爆发式均匀成核，同时增强分子配位作用以延缓晶体生长，从而优化薄膜形貌与组分分布并降低非辐射复合损失。基于该调控策略，器件在实现高达24.7%效率的同时显著提升了运行稳定性，为全钙钛矿叠层组件的规模化制备与商业化应用提供了可行路径。

美能温湿度综合环境试验箱

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