寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池是突破硅電池效率極限、構(gòu)建高效硅基疊層器件的關(guān)鍵。然而，該類電池在實(shí)際應(yīng)用中面臨兩大耦合難題：在埋底界面處，空穴傳輸層在粗糙的織構(gòu)硅表面難以實(shí)現(xiàn)均勻覆蓋，導(dǎo)致界面接觸不良和載流子提取效率低下；在鈣鈦礦體相內(nèi)，高溴含量引發(fā)的快速結(jié)晶過程易產(chǎn)生相分離和大量缺陷，嚴(yán)重制約器件的開路電壓與運(yùn)行穩(wěn)定性。美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測(cè)試儀采用AAA級(jí)LED太陽光模擬器作為老化光源，可通過多種方式對(duì)電池進(jìn)行控溫并控制電池所處的環(huán)境氛圍，進(jìn)行長(zhǎng)期的穩(wěn)定性能測(cè)試。

本研究提出了一種基于氰基乙酸（CA）的協(xié)同調(diào)控策略，利用其羧基（-COOH）錨定基底、氰基（-CN）鈍化缺陷的雙功能特性，同時(shí)優(yōu)化自組裝單分子層覆蓋率和鈣鈦礦薄膜質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)了效率為32.43%的織構(gòu)硅/鈣鈦礦疊層電池，并顯著提升了器件穩(wěn)定性。

寬帶隙鈣鈦礦面臨的雙重挑戰(zhàn)

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硅/鈣鈦礦疊層太陽能電池被認(rèn)為是突破單結(jié)電池效率極限的關(guān)鍵技術(shù)，尤其是與工業(yè)化的織構(gòu)硅基底結(jié)合時(shí)，兼具高效率潛力和良好的產(chǎn)業(yè)兼容性。然而，在非平面的織構(gòu)硅表面制備高性能疊層電池面臨兩大難題：

首先，在粗糙的金字塔絨面上形成均勻、緊密的空穴傳輸層與鈣鈦礦吸收層接觸十分困難，容易引發(fā)局部漏電和載流子提取效率低下；

其次，寬帶隙鈣鈦礦本身因高溴含量，在結(jié)晶過程中易產(chǎn)生相分離和大量缺陷，嚴(yán)重影響器件的開路電壓和運(yùn)行穩(wěn)定性。

自組裝單分子層因其高效的載流子提取能力而被廣泛用作空穴傳輸層，但常用的Me-4PACz分子在沉積時(shí)容易聚集，導(dǎo)致覆蓋不完全，同時(shí)其疏水性使得鈣鈦礦前驅(qū)體溶液難以在其表面均勻鋪展，進(jìn)一步加劇了界面處的非輻射復(fù)合和體相結(jié)晶的不均勻性。

氰基乙酸(CA)的雙功能調(diào)控機(jī)制

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(a) 對(duì)照組器件與CA增強(qiáng)器件的結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)比(b)光電轉(zhuǎn)換效率統(tǒng)計(jì)分布圖(c)J-V曲線及參數(shù)

氰基乙酸（CA）是一種含有羧基（-COOH）和氰基（-CN）的雙功能小分子。研究團(tuán)隊(duì)將其同時(shí)引入Me-4PACz溶液和鈣鈦礦前驅(qū)體中，旨在發(fā)揮其橋梁和鈍化作用。

在埋底界面處：CA的羧基（-COOH）能夠錨定在氧化銦錫（ITO）基底上，同時(shí)氰基與Me-4PACz的膦酸基團(tuán)相互作用，形成分子間橋接，有效抑制了Me-4PACz的聚集，顯著提升了自組裝單分子層的覆蓋均勻性和界面能態(tài)一致性。

在鈣鈦礦體相內(nèi)：CA的氰基（-CN）能夠與欠配位的鉛離子（Pb2?）配位，并穩(wěn)定鹵素離子，從而鈍化缺陷、減緩結(jié)晶速率，最終形成更致密、均勻且缺陷密度更低的鈣鈦礦薄膜。

界面調(diào)控：自組裝單分子層均勻性與相互作用

(a)混合溶液的13C核磁共振譜(b) 薄膜的P 2p XPS譜圖(c)薄膜的O 1s XPS譜圖(d) SAM和(e) SAM+CA的表面電勢(shì)分布圖，(f) 相應(yīng)的接觸電勢(shì)差（CPD）分布；金字塔織構(gòu)硅襯底上(g, i) SAM和(h, j) SAM+CA薄膜的HAADF-STEM圖像

為了驗(yàn)證CA在界面處的調(diào)控作用，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列表征。核磁共振碳譜（13C NMR）顯示，CA與Me-4PACz混合后，其特征峰發(fā)生位移，證實(shí)了兩者之間存在直接的分子間相互作用。X射線光電子能譜（XPS）分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，CA的引入增強(qiáng)了Me-4PACz與ITO基底之間的化學(xué)吸附（In-O-P/In-O-H鍵合比例顯著增加），表明CA確實(shí)充當(dāng)了分子橋，強(qiáng)化了界面結(jié)合。

KPFM的表征結(jié)果顯示，引入CA后，自組裝單分子層薄膜的表面接觸電勢(shì)差（CPD）分布半高寬從45 mV收窄至24 mV，表明界面能態(tài)紊亂被有效抑制，均勻性顯著提升。更直觀的證據(jù)來自高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡圖像：在金字塔織構(gòu)硅襯底上，對(duì)照組的自組裝單分子層覆蓋不完整，而CA修飾后的樣品則呈現(xiàn)出一層連續(xù)、均勻的暗色層，證明CA在粗糙表面上同樣能促進(jìn)自組裝單分子層的均勻覆蓋。

體相調(diào)控：鈣鈦礦薄膜質(zhì)量與能態(tài)均勻性

SAM和SAM+CA+bulk鈣鈦礦薄膜(a) Pb 4f XPS譜圖(b) I 3d XPS譜圖；(c) SAM和(d) SAM+CA+bulk樣品的鈣鈦礦薄膜頂視圖SEM圖像；(e) SAM和(f) SAM+CA+bulk樣品的埋底HTL/鈣鈦礦界面SEM圖像；(g) SAM和(h) SAM+CA+bulk樣品的鈣鈦礦薄膜截面SEM圖像；(i) SAM和(j) SAM+CA+bulk樣品的表面電勢(shì)分布圖，(k) 相應(yīng)的CPD分布

在鈣鈦礦體相中，XPS分析顯示，CA的引入使得Pb 4f峰向低結(jié)合能方向移動(dòng)，表明氰基與欠配位Pb2?發(fā)生了配位，從而鈍化缺陷并穩(wěn)定了Pb-I鍵合環(huán)境。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像清晰地展示了CA對(duì)薄膜形貌的改善：對(duì)照組鈣鈦礦薄膜晶界處存在大量明亮的殘余碘化鉛（PbI?），且埋底界面處存在許多由非均勻成核引起的納米 voids；而CA修飾后的薄膜晶界干凈，界面致密無 voids，截面圖像也顯示出更均勻的晶體結(jié)構(gòu)和更少的缺陷。

KPFM對(duì)鈣鈦礦頂表面的測(cè)試同樣證實(shí)了能態(tài)均勻性的提升：對(duì)照組的接觸電勢(shì)差分布呈現(xiàn)寬而雙峰的形態(tài)（半高寬47 mV），而CA優(yōu)化后的薄膜則呈現(xiàn)窄而單峰的分布（半高寬24 mV），表明其光電性質(zhì)的均質(zhì)性顯著增強(qiáng)。

機(jī)理探究：缺陷抑制與非輻射復(fù)合的減少

(a) 實(shí)驗(yàn)J-V曲線（圓圈）及其使用修正細(xì)致平衡模型（插圖）的擬合曲線（實(shí)線）；(b) 從J-V擬合中得到的PCE損失分解；(c-e) DLTS缺陷分析；(f)ELQY測(cè)量結(jié)果；(g)反向擊穿電壓測(cè)量結(jié)果

為定量解析性能提升的機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)采用修正的細(xì)致平衡模型對(duì)J-V曲線進(jìn)行了擬合分析。結(jié)果顯示，CA的引入系統(tǒng)性地抑制了表面和體相的非輻射復(fù)合。僅在自組裝單分子層中加入CA，表面復(fù)合損失就降低了46%，串聯(lián)電阻損失也大幅下降；當(dāng)CA同時(shí)加入體相后，表面和體相的復(fù)合損失進(jìn)一步降低，證實(shí)了CA通過先優(yōu)化界面、再穩(wěn)定體相的協(xié)同路徑來提升器件性能。

深能級(jí)瞬態(tài)光譜（DLTS）探測(cè)到了深能級(jí)缺陷態(tài)的變化。在對(duì)照組器件中，檢測(cè)到了一個(gè)電子陷阱（D1）和一個(gè)空穴陷阱（D2）；而在CA全面優(yōu)化的器件中，空穴陷阱完全消失，僅存的一個(gè)電子陷阱（D3）雖然能級(jí)相近，但其俘獲截面小了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這表明CA有效鈍化了與鹵素間隙、欠配位鹵素離子等相關(guān)的深能級(jí)缺陷，從而抑制了陷阱輔助的非輻射復(fù)合和離子遷移。

這一結(jié)論得到了電致發(fā)光量子效率（ELQY）測(cè)試和反向偏壓測(cè)試的支持：優(yōu)化后器件的ELQY是對(duì)照組的4.7倍，反向擊穿電壓也從-5.52 V提升至-9.61 V，顯示出更強(qiáng)的界面魯棒性和缺陷抑制能力。在65°C下的最大功率點(diǎn)追蹤（MPP）測(cè)試中，優(yōu)化后器件在1000小時(shí)后仍能保持96.5%的初始效率，而對(duì)照組在400小時(shí)后已衰減至80%左右。

織構(gòu)疊層器件中的性能驗(yàn)證

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織構(gòu)硅/鈣鈦礦疊層電池的(a)器件結(jié)構(gòu)示意圖(b)截面SEM圖像；(c)冠軍疊層器件的J-V曲線及穩(wěn)態(tài)PCE（通過超過300秒的MPP追蹤確定）；(d)疊層器件的PCE分布圖；(e)電池的EQE譜以及1-反射率（記為1-R）；(f) 長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性（MPP追蹤）；(g-j) 在1 V偏壓下，器件金字塔尖頂區(qū)域的截面KPFM圖像及電勢(shì)分布剖面圖

基于CA在織構(gòu)硅襯底上表現(xiàn)出的優(yōu)異界面調(diào)控能力，研究團(tuán)隊(duì)將其應(yīng)用于織構(gòu)硅/鈣鈦礦疊層太陽能電池。優(yōu)化后的疊層器件冠軍效率達(dá)到32.43%（開路電壓1.983 V，短路電流密度19.83 mA/cm2，填充因子82.50%），顯著高于對(duì)照組的30.78%，并獲得了獨(dú)立認(rèn)證機(jī)構(gòu)31.70%的穩(wěn)態(tài)效率確認(rèn)。

更重要的是，優(yōu)化后的疊層器件在空氣中連續(xù)MPP追蹤1000小時(shí)后，仍能保持93%的初始效率，而對(duì)照組在550小時(shí)后僅剩82%。

通過截面KPFM測(cè)試，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了性能提升的內(nèi)在原因。結(jié)果顯示，CA優(yōu)化后的器件在空穴傳輸層/鈣鈦礦和鈣鈦礦/電子傳輸層界面處的電場(chǎng)分布更均勻，尤其在金字塔絨面的尖頂和谷底區(qū)域，界面電場(chǎng)峰值比更接近，表明CA實(shí)現(xiàn)了不同幾何區(qū)域更平衡、更高效的電荷分離和提取。

本研究提出的氰基乙酸雙功能協(xié)同調(diào)控策略，通過分子層面的設(shè)計(jì)，同時(shí)解決了寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池中埋底界面不均勻和體相缺陷嚴(yán)重兩大核心問題。該策略不僅顯著提升了單結(jié)和疊層器件的效率與穩(wěn)定性，更提供了一種構(gòu)建能量上連貫、缺陷容忍的界面與體相結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，為未來高性能光電器件的可控制備和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了重要指導(dǎo)。

鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測(cè)試儀

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美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測(cè)試儀采用A+AA+級(jí)LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進(jìn)的技術(shù)和多功能設(shè)計(jì)，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強(qiáng)有力的支持。

• 3A+光源，光源壽命10000h+，真實(shí)還原各場(chǎng)景實(shí)際光照條件

可選配恒溫恒濕箱，滿足IS0S標(biāo)準(zhǔn)

多型號(hào)電子負(fù)載可選，多通道獨(dú)立運(yùn)行

不同波段光譜輸出可調(diào)：350-400nm/400-750nm/750-1150nm均獨(dú)立可控

美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測(cè)試儀主要應(yīng)用于成品鈣鈦礦單結(jié)，疊層成品電池穩(wěn)定性測(cè)試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環(huán)境因素影響，其最大功率點(diǎn)會(huì)頻繁波動(dòng)。MPPT控制器通過實(shí)時(shí)追蹤并鎖定最大功率點(diǎn)，能確保系統(tǒng)始終以最優(yōu)功率輸出。這不僅能最大化發(fā)電量，還能提升整個(gè)光伏系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

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

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