鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池憑借其可調(diào)帶隙和強(qiáng)光吸收能力，是突破單結(jié)電池效率極限的理想候選。然而，頂電池鈣鈦礦層中因結(jié)晶不完全而殘留的PbI?，會引入非輻射復(fù)合中心、結(jié)構(gòu)不均和界面失穩(wěn)，嚴(yán)重制約電池性能。美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過無接觸式測試，監(jiān)測各個工藝段中的異常，了解單節(jié)疊層鈣鈦礦電池的缺陷分布信息。

本研究開發(fā)了一種基于二甲亞砜與氯苯混合溶劑體系的化學(xué)拋光策略，能夠選擇性溶解并去除表面PbI?，同時不破壞鈣鈦礦晶格完整性。該方法顯著降低了薄膜的陷阱態(tài)密度，促進(jìn)了晶界融合，增強(qiáng)了光致發(fā)光強(qiáng)度，并延長了載流子壽命。最終，所制備的2T鈣鈦礦-硅疊層電池獲得了31.71%的認(rèn)證效率，開路電壓從1.821 V提升至1.839 V，界面復(fù)合損失得到顯著抑制。本工作為發(fā)展高效、穩(wěn)定的疊層光伏技術(shù)提供了一條簡單有效的界面工程路徑。

實驗材料與制備

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材料

實驗所用氧化鎳（NiO?）納米晶分散液、（4-（3,6 - 二甲基 - 9H - 咔唑 - 9 - 基）丁基）膦酸（Me-4PACz）、甲脒碘（FAI）、碘化銫（CsI）、碘化鉛（PbI?）、溴化鉛（PbBr?）、氧化錫（SnO?）前驅(qū)體、銦鋅氧化物（IZO）濺射靶材、氧化銦錫（ITO）導(dǎo)電玻璃等均為分析純及以上級別，直接使用未進(jìn)一步純化。

電池制備

硅底電池：采用 170 μm厚n型硅片，經(jīng)織構(gòu)化、RCA 清洗、硼擴(kuò)散、鈍化層沉積、ITO濺射和銀漿印刷等步驟制備，定義1.0 cm2活性區(qū)域。

鈣鈦礦頂電池：ITO基板經(jīng)清洗和氧等離子體處理后，依次制備NiO?/Me-4PACz雙空穴傳輸層和AEAPTMS鈍化層；將 FAI、CsI、PbBr?、PbI?溶解在DMF/DMSO混合溶劑中（添加 3 mol% MACl），旋涂并滴加苯甲醚反溶劑，100℃退火形成鈣鈦礦層；采用1.6 : 100體積比的DMSO-CB混合溶劑旋涂拋光（3000 rpm，30 秒），100℃退火10分鐘（可重復(fù)1-2 次）；最后沉積SnO?緩沖層、IZO透明電極和銀頂電極，完成疊層電池制備。

表征測試

采用AAA級太陽能模擬器和Keithley 2450源表測試光伏性能；通過SEM/EDS表征形貌與元素分布；利用XRD和XPS分析晶體結(jié)構(gòu)與化學(xué)狀態(tài)；采用穩(wěn)態(tài)PL、TRPL和PLmapping 測試光學(xué)性能；通過EIS和MPP跟蹤評估界面特性與穩(wěn)定性。所有測試均在室溫受控環(huán)境下進(jìn)行。

實驗結(jié)果與討論

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本研究選用帶隙1.68 eV、組成為Cs的寬禁帶鈣鈦礦薄膜（常用作疊層電池頂電池）作為研究對象，系統(tǒng)探究殘留 PbI?的危害及化學(xué)拋光的作用機(jī)制。

殘留 PbI?的危害與去除機(jī)制

(a) PbI?殘留導(dǎo)致孔隙生成、非輻射復(fù)合、短路路徑及離子遷移的示意圖(b)晶界處PbI?聚集的SEM圖像(c) DMSO與CB協(xié)同作用下PbI?去除示意圖；PbI?在旋涂過程中溶解，在熱退火過程中溶劑蒸發(fā)

研究發(fā)現(xiàn)，殘留 PbI?會在鈣鈦礦薄膜的晶界和表面聚集：一方面形成非輻射復(fù)合中心，降低開路電壓；另一方面破壞界面連續(xù)性，形成短路路徑，還會為離子遷移提供通道，加速電池在光熱應(yīng)力下的降解。

掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，制備態(tài)薄膜的晶界處存在大量樹枝狀 PbI?聚集物，能量色散 X 射線光譜（EDS）分析證實，這些聚集物主要由Pb和I組成，屬于分離的PbI?相而非鈣鈦礦相。

為針對性去除這些殘留物，本研究設(shè)計了 DMSO-CB 雙相溶劑體系：DMSO 具有強(qiáng)路易斯堿性，能與 PbI?中低配位的 Pb2?形成可溶性復(fù)合物，而鈣鈦礦體相中的 Pb2?因配位緊密，難以被 DMSO 溶解；加入非極性惰性溶劑 CB 后，可稀釋體系極性，進(jìn)一步避免鈣鈦礦晶格被破壞。通過優(yōu)化兩者體積比，實現(xiàn)了“只除殘留、不損晶格”的精準(zhǔn)拋光效果。

拋光參數(shù)優(yōu)化與薄膜性能改善

(a)初始鈣鈦礦薄膜的表面SEM圖像(b)化學(xué)拋光后鈣鈦礦薄膜的SEM圖像(c)化學(xué)拋光后鈣鈦礦薄膜的截面SEM圖像及對應(yīng)的EDS元素分布圖(d)化學(xué)拋光后鈣鈦礦薄膜的表面SEM圖像及對應(yīng)的EDS元素分布圖(e)化學(xué)拋光前后鈣鈦礦薄膜的XRD譜圖(f)化學(xué)拋光前后鈣鈦礦薄膜的XPS全譜(g)鈣鈦礦薄膜中Pb元素的XPS譜圖

實驗對比了不同體積比（1.4 : 100、1.6 : 100、1.8 : 100）的 DMSO-CB 混合溶劑拋光效果：1.4 : 100比例下 PbI?去除不充分，1.8 : 100比例會導(dǎo)致鈣鈦礦層過度刻蝕，而1.6 : 100比例能在徹底去除 PbI?的同時，保持薄膜表面完整性和晶粒致密性，因此被確定為最優(yōu)參數(shù)。

結(jié)構(gòu)表征結(jié)果顯示：拋光前，鈣鈦礦薄膜表面存在大量樹枝狀 PbI?，晶界雜亂；拋光后，PbI?殘留物完全消失，薄膜表面更光滑致密，晶粒尺寸從約560 nm增大至680 nm，晶界密度顯著降低。

EDS 元素 mapping 證實，拋光后 Pb、I、Br、Cs 元素分布均勻，無相分離現(xiàn)象。X 射線衍射（XRD）測試顯示，拋光后 12.7° 處的 PbI?特征峰消失，鈣鈦礦主要衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，表明結(jié)晶度提升且晶格結(jié)構(gòu)未變。X 射線光電子能譜（XPS）測試則顯示，表面Pb含量減少，Pb的配位環(huán)境發(fā)生優(yōu)化。

光電性能與電池性能提升

(a) 拋光前后穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光（PL）光譜對比(d)拋光前后時間分辨光致發(fā)光（TRPL）衰減曲線(e)未拋光樣品的空間PL mapping圖像(f)拋光后樣品的空間PL mapping圖像

光學(xué)性能測試表明：拋光后鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光（PL）強(qiáng)度提升1.5倍，且不同區(qū)域的PL響應(yīng)高度一致，說明非輻射復(fù)合被抑制，發(fā)光均勻性顯著改善；

時間分辨光致發(fā)光（TRPL）測試顯示，載流子壽命從19.67 ns延長至29.97 ns，表明淺陷阱態(tài)和深陷阱態(tài)均得到有效鈍化；

空間 PLmapping 圖像也證實，拋光后薄膜的發(fā)光暗區(qū)減少，均勻性大幅提升。

這些改善直接體現(xiàn)在電池性能上：寬禁帶鈣鈦礦單電池效率從20.60 %提升至21.63 %，開路電壓從1.204 V提升至1.218 V。

(a)PSTSCs結(jié)構(gòu)示意圖及光學(xué)照片(b)去除PbI?殘留前后，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的功率-電壓曲線對比(c)去除PbI?殘留后，在標(biāo)準(zhǔn)光照下PSTSCs的電流密度-電壓與功率-電壓特性曲線(d)空氣氛圍中，去除PbI?殘留前后PSTSCs的最大功率點(diǎn)追蹤曲線(e) PSTSCs的外量子效率譜及各子電池積分電流密度(f) PSTSCs的電化學(xué)阻抗譜（EIS）圖

對于鈣鈦礦 - 硅疊層電池，拋光后的性能提升更為顯著：標(biāo)準(zhǔn) AM 1.5G 光照下，短路電流密度從20.51 mA/cm2 提升至21.32 mA/cm2，開路電壓從1.821 V提升至1.839 V，填充因子從79.01 %提升至81.95 %，最終認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)31.71 %（初始為29.34 %）。

電池的穩(wěn)定性也大幅改善：最大功率點(diǎn)（MPP）跟蹤測試顯示，空氣環(huán)境中長時間運(yùn)行后，拋光電池仍保留90.2 %的初始功率，而未拋光電池僅保留85.3 %；

J-V滯后特性測試顯示，拋光電池正向與反向掃描效率一致性良好，表明電荷積累和離子遷移被有效抑制。

外量子效率（EQE）光譜證實，頂電池與底電池的積分電流密度匹配良好，電化學(xué)阻抗譜（EIS）則顯示界面復(fù)合電阻增加，載流子損耗減少，進(jìn)一步驗證了界面質(zhì)量的改善。

本研究明確了殘留 PbI?對寬禁帶鈣鈦礦 - 硅疊層電池性能的限制作用，并提出了針對性的界面工程解決方案?；?/span>DMSO-CB混合溶劑的化學(xué)拋光技術(shù)，通過“選擇性溶解 - 再結(jié)晶”機(jī)制，徹底去除了晶界和表面的 PbI?殘留物，同時提升了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶度、載流子壽命和發(fā)光均勻性，且未對晶格造成損傷或引入副產(chǎn)物。最終，疊層電池實現(xiàn)31.71 %的認(rèn)證效率，且穩(wěn)定性顯著提升。該方法為解決殘留 PbI?難題提供了簡便高效的技術(shù)路徑，也為下一代高性能鈣鈦礦 - 硅疊層光伏技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀

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大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過非接觸、高精度、實時反饋等特性，系統(tǒng)性解決了太陽能電池生產(chǎn)中的速度、良率、成本、工藝優(yōu)化與穩(wěn)定性等核心痛點(diǎn)，并且結(jié)合AI深度學(xué)習(xí)，實現(xiàn)全自動缺陷識別與工藝反饋。

PL高精度成像：采用線掃激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 顏色灰度：同時清晰呈現(xiàn)高亮區(qū)域（如無缺陷區(qū)）與低亮區(qū)域（如缺陷暗斑）

高速在線PL檢測缺陷：檢測速度≤2s，漏檢率；誤判率

AI缺陷識別分類訓(xùn)練：實現(xiàn)全自動缺陷識別與工藝反饋

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀采用無接觸式測試方式，可實時監(jiān)測鈣鈦礦電池各工藝段中的薄膜質(zhì)量異常，精準(zhǔn)定位單結(jié)及疊層電池中的缺陷分布。

原文參考：Targeted PbI2 Removal Unlocks 31.71% Efficiency Perovskite-Silicon 2T Tandem Solar Cells

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