效率30.31%大面积柔性钙钛矿/硅叠层电池：双分子界面协同钝化与低维相稳定策略

柔性钙钛矿/硅叠层太阳能电池（FTSC）因其高功率质量比和机械柔韧性，在航天、可穿戴等新兴领域极具潜力，但面临两大核心挑战：一是钙钛矿/C60界面的载流子复合与机械分层，导致效率和稳定性下降；二是大面积（>10 cm²）器件的功率转换效率（PCE）长期难以突破30%。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。

本文提出一种双分子哌嗪衍生物协同界面工程策略，同时引入PDCI和p-ClPh-PCl。其中PDCI通过场效应钝化抑制界面缺陷、优化能带排列以加速电子提取，而p-ClPh-PCl则原位形成稳定低维相，促进均匀C60生长、抑制富勒烯聚集并增强界面附着力。该方案首次在超过10 cm²的FTSC中实现30%以上效率：1 cm²器件达31.51%，17.64 cm²器件达30.31%，并在20,000次弯曲循环和650小时连续光照后仍保持95%初始效率，为柔性高效叠层光伏提供了可行路径。

实验方法

Millennial Solar

单结电池以玻璃/ITO为衬底，采用4PADCB为空穴传输层，旋涂含Cs、FA、MA、Pb、Cl、Br的钙钛矿前驱体，反溶剂法制膜后退火。界面修饰层（PDCI、p-ClPh-PCl或MIX）溶于异丙醇后旋涂并退火，随后热蒸发沉积C60（18 nm）、BCP（5 nm）和Ag（100 nm）。叠层电池使用60 μm厚n型单晶硅片，制备a-Si:H异质结底电池，再按相似工艺制备顶电池，并采用ALD沉积SnO2和磁控溅射IZO。性能测试使用太阳模拟器和EQE系统，稳定性测试在LED光源下进行最大功率点跟踪。

抑制C60聚集与表面电势均匀化

(a)协同界面处理机制示意图(b)相应钙钛矿/C60薄膜在光照前的开尔文探针力显微镜（KPFM）表面电势图(c)光照后的表面电势图(d)双分子结合时的弱相互作用区域指示函数图(e)不同界面处理（对照、PDCI、p-ClPh-PCI 和 MIX）下钙钛矿薄膜的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图谱

为评估界面处理对ETL稳定性的影响，研究者制备了对照、p-ClPh-PCl、PDCI及两者混合物（MIX）四种钙钛矿/C60叠层，并进行30分钟光照测试。开尔文探针力显微镜（KPFM）显示，光照后对照和PDCI样品表面电势出现明显分散，而p-ClPh-PCl和MIX样品保持均匀电势。光学显微镜发现，光照后对照和PDCI样品中出现显著的C60聚集，而p-ClPh-PCl和MIX样品形貌完好。这表明p-ClPh-PCl有效抑制了C60在光照下的团聚。

分子模拟（IGMH）计算表明，C60分子之间的结合能仅为-0.25 eV，而PD⁺与C60的结合能为-1.75 eV，p-ClPh-P⁺与C60的结合能更强（-2.18 eV），主要来源于范德华相互作用。因此，p-ClPh-PCl为C60提供了更有利的分子环境，从而抑制聚集、保持表面电势均匀。

低维相屏障的形成与稳定性增强

Millennial Solar

(a)相应钙钛矿薄膜在施加30 V偏压前的光致发光（PL）mapping图(b)施加30 V偏压后的PL mapping图(c)导电原子力显微镜（C-AFM）图像(d)紫外光电子能谱（UPS）谱图(e)根据UPS导出的价带最大值（VBM）值和光学带隙估算的处理后钙钛矿薄膜的能级图

除了稳定C60覆盖层，p-ClPh-PCl还会改变钙钛矿表面结构。掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和X射线衍射（XRD）显示，p-ClPh-PCl和MIX处理后的薄膜在低角度（4.9°和9.8°）出现新衍射峰，对应低维相的形成，而PDCI处理不产生该相。该低维相来自p-ClPh-PCl与PbI2的反应。水接触角测试表明，低维相使表面疏水性从55.0°（对照）提高至87.0°（p-ClPh-PCl）和86.0°（MIX）。同时，在30 V偏压下，对照和PDCI薄膜的光致发光（PL）因离子迁移而迅速淬灭，而p-ClPh-PCl和MIX薄膜的PL几乎不变，说明低维相有效抑制了离子迁移。

协同电子钝化与能带排列

Millennial Solar

(a)三种异质结构型的DFT优化原子结构(b)三种异质结中C60分子与其余组分之间的计算结合能(c)单结钙钛矿太阳能电池的器件结构示意图(d)相应单结钙钛矿器件效率（PCE）的统计箱线图(e)冠军单结器件的J-V曲线(f)电化学阻抗谱（EIS）奈奎斯特图(g)瞬态光电压（TPV）衰减曲线。(h)入射光子-电流转换效率（IPCE）光谱

导电原子力显微镜（C-AFM）显示，PDCI处理显著提高薄膜电导率，p-ClPh-PCl贡献较小，MIX样品的电导率与PDCI相当，说明PDCI主导电子传输性能。稳态PL和时间分辨PL（TRPL）表明，MIX处理薄膜的PL强度最高，平均载流子寿命达927.55 ns（对照更低），表明非辐射复合被有效抑制。紫外光电子能谱（UPS）分析显示，PDCI和MIX处理使钙钛矿的导带最小值（CBM）与C60的能级偏移从0.23 eV（对照）降至约0.11 eV，更有利于电子提取。

密度泛函理论（DFT）模拟三种界面构型：PVSK/C60、PVSK/PDCI/C60和MIX（含低维相）。计算发现MIX构型中C60与界面的结合能最大（-8.87 eV），远高于另外两种（-0.63 eV和-4.57 eV），证实MIX处理显著增强了C60与界面的结合强度。

单结与叠层器件光伏性能

Millennial Solar

在1.65 eV带隙的单结钙钛矿电池中，分别优化PDCI和p-ClPh-PCl浓度，最佳浓度均为0.2 mg/mL，相应效率分别为21.68%和20.83%。将两者混合（MIX）后冠军效率达到22.57%，优于单独处理或顺序处理。电化学阻抗谱（EIS）和瞬态光电压（TPV）表明MIX器件复合电阻最大、载流子寿命最长，瞬态光电流（TPC）显示MIX器件提取最快。

基于优化策略制备二端柔性叠层电池。1 cm²冠军MIX器件效率31.51%（对照28.60%），参数为：VOC=1.95 V，JSC=19.91 mA/cm²，FF=81.17%。17.64 cm²大面积MIX器件效率30.31%（对照27.40%），VOC=1.94 V，JSC=19.26 mA/cm²，FF=81.12%。SPO测试显示MIX器件在600秒后稳定在31.16%。IPCE表明顶电池和底电池积分电流分别为20.28和19.50 mA/cm²，电流匹配良好。

运行稳定性与机械稳定性

Millennial Solar

(a)柔性二端钙钛矿/硅叠层太阳能电池结构示意图(b)不同界面处理的柔性叠层太阳能电池（FTSC）效率分布图(c)冠军叠层器件的稳态功率输出（SPO）追踪曲线(d)活性面积为1 cm²的冠军柔性叠层太阳能电池的J-V曲线(e)活性面积为17.64 cm²的冠军柔性叠层太阳能电池的J-V曲线(f)冠军叠层器件的IPCE光谱(g)连续光照下的运行稳定性测试（1 cm²器件）(h)机械弯曲耐久性测试

在室温、连续AM 1.5G光照下，MIX处理器件经过650小时后仍保持95%初始效率，而对照器件100小时即降至70%。在85°C高温下，MIX器件200小时后仍保持约80%效率，对照仅剩67%。弯曲测试（半径45 mm）中，17.64 cm²的MIX器件在20,000次弯曲后保持95%效率，对照在12,000次后降至70%。面外拉伸测试显示MIX处理的上部堆栈（IZO/SnO2/C60/钙钛矿）抗分层能力最强。这些改善归因于低维相有效吸收和耗散应力。

本文报道的双分子协同界面处理策略集成了场效应钝化、低维相稳定化、抑制离子迁移和C60聚集等功能，有效解决了柔性钙钛矿/硅叠层太阳能电池的界面和稳定性问题。所制备器件在1 cm²和17.64 cm²上分别达到31.51%和30.31%的效率，并展现出优异的弯曲耐久性（20,000次）和运行稳定性（650小时），为轻量化、高鲁棒性光伏应用（如空间太阳能电站）提供了可行方案。

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：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。