研究背景与挑战
钙钛矿/硅迭层太阳能电池因能突破单结电池的效率极限，成为下一代光伏技术的重要候选。特别是在工业化纹理硅基板上，此技术展现出优异的光捕获能力与成本效益，具备良好的产业化前景。然而，其商业化仍面临关键技术瓶颈：
核心挑战一：制程中的薄膜稳定性问题
混合两步蒸发-溶液沉积法虽能实现与纹理硅底层的共形接合，但制程需在高温（词150°颁）及高湿度（~40% RH）环境下进行空气退火
此条件导致钙钛矿薄膜表面因高温湿气双重作用而严重分解
核心挑战二：PbI2副产物的负面效应
薄膜分解产生的过量PbI2形成离子迁移信道，加速器件劣化
更严重的是引发界面载流子复合，造成器件效率损失与稳定性恶化
这些制程稳定性问题及其引发的性能衰退，严重制约了钙钛矿/硅迭层电池的长期稳定性与耐用性，成为大规模工业化生产的关键技术障碍。
研究团队与重要成果
这项研究由南京大学固态微结构国家重点实验室的谭海仁教授与孔文驰教授共同领导，发表于期刊《ACS Energy Letters》。研究团队成功解决了钙钛矿/硅迭层电池工业化制程的核心难题：混合两步沉积法中高温高湿空气退火造成的薄膜分解与PbI2副产物问题。
Fig. 4d
团队的关键创新在于引入DMPESI疏水性内部封装层。有效抑制了退火过程中钙钛矿表面分解，同时显着降低非辐射复合速率，优化晶体生长质量，进而改善器件的开路电压与填充因子。这是将DMPESI成功应用于纹理基板的混合蒸发-溶液沉积制程，大幅拓展了该分子的应用领域。
团队制备的工业化纹理钙钛矿/硅迭层电池达到30.49%的转换效率，在长期稳定性测试中，经过1800小时最大功率点追踪测试后仍保持初始效率的84%，723小时湿热测试后维持初始效率的80%。这些数据远超对照组表现，充分证明此方法在提升器件稳定性与耐用性方面的显着效果。该技术可适用于高湿度环境制备，为工业化大规模低成本生产奠定了坚实基础。
实验步骤与过程
Fig. 1a
透过精巧的薄膜沉积与添加剂策略，来制备高效能且稳定的钙钛矿/硅迭层太阳能电池。以下是主要实验步骤：
· 基板准备与底层电池构建：使用了工业化纹理的硅异质结 (SHJ) 底层电池作为基板。为了制备迭层电池，首先会将4吋硅晶圆进行雷射切割成2.5 × 2.5 cm2的尺寸，随后进行200°颁的退火以修复溅射损伤。接着，在硅基板上溅射20奈米厚的氧化铟锡 (ITO) 作为复合结层。
· 钙钛矿层的两步沉积法：钙钛矿薄膜的制备采用了混合两步蒸发-溶液沉积法。
o 无机骨架形成：首先，透过热蒸发的方式，在基板上共同蒸发PbI2和CsBr，形成约540奈米厚的无机骨架层。
o 有机盐溶液旋涂及DMPESI添加：随后，将含有钙钛矿前驱物 (如FA0.8Cs0.2Pb(I0.8Br0.2)) 的有机盐溶液，以及关键的稳定剂——DMPESI，旋涂到已形成的无机薄膜上。此DMPESI添加剂在溶液中扮演关键角色，能够与PbI2反应形成疏水性的内部封装层。
o 预退火与空气退火：旋涂后的薄膜会先在90°颁的氮气环境中进行预退火处理。接着进行关键的空气退火步骤，在约150°颁和约45%相对湿度（或在高湿度测试中达60%相对湿度）的环境下退火20分钟。这个步骤是DMPESI形成保护层，抑制钙钛矿分解的关键。
· 上层与电极沉积：在钙钛矿层制备完成后，会依序沉积电子传输层与电极。
o 对于单结钙钛矿太阳能电池，首先热蒸发20奈米的C60薄膜，接着透过原子层沉积 (ALD) 15奈米的SnO2。
o 对于迭层太阳能电池，在C60层之后，是溅射50奈米的ITO。
o 最后，热蒸发银 (Ag) 作为顶部电极（单结电池为150奈米，迭层电池为400奈米）。
· 抗反射层制备 (针对迭层电池)：为进一步提升迭层电池的光捕获能力，最后会在其表面热蒸发100奈米的MgF2作为抗反射层。
表征方法与结果
准费米能级分裂(Quasi-Fermi Level Splitting, QFLS)
评估钙钛矿薄膜中非辐射复合损失程度与缺陷钝化效果，QFLS提升直接关联器件开路电压VOC改善。采用405 nm雷射激发源，通过光纤导入积分球测量系统，雷射强度调整至1 Sun等效条件下进行光致发光量子产率测定。
DMPESI处理显着提升了各层结构的QFLS值，其中钙钛矿体材料作为主要VOC损失来源在处理后得到明显改善。DMPESI有效抑制了空气退火过程中的表面分解，降低界面非辐射复合，使得钙钛矿/C60界面处的VOC损失相应减少。透过对纯钙钛矿薄膜、HTL/钙钛矿及HTL/钙钛矿/ETL叁种堆栈结构的系统性比较，证实DMPESI处理在各界面均展现优异的缺陷钝化能力。
Figure 3d展示不同堆栈结构中提取的QFLS值比较。DMPESI处理组在纯钙钛矿、HTL/钙钛矿及HTL/钙钛矿/ETL各层界面的QFLS值均显着高于控制组，直观呈现其在抑制非辐射复合损失方面的效果，有力解释了器件VOC提升的根本原因。
光焱科技最新发表QFLS-Maper，分析材料潜能上限！
Enlitech QFLS-Maper让您以具竞争力的1/5成本优势，就能获得QFLS Mapping与QFLS成像，清晰展现准费米能级的空间分布状况，让材料质量好坏一目了然！
追踪我们的动态，第一时间获得新技术信息！
电致发光量子产率(EQEEL)
进一步分析器件非辐射复合并量化单结太阳能电池中的准费米能级分裂。使用Keithley 2450电压源测量单元提供恒定电流密度，通过积分球和校准光谱仪测量器件各方向发出的光子。
DMPESI处理显着改善电致发旋光性能：在相当于1 Sun模拟电流密度条件下，DMPESI处理组器件EQEEL达0.430%，显着优于控制组的0.145%。对应的VOC损失分别为142 mV和170 mV，DMPESI处理组VOC损失减少28 mV。此结果表明DMPESI处理通过抑制表面分解和优化结晶过程，实现更优异的钙钛矿质量与更低的非辐射复合，从而有效改善器件开路电压。
Figure 3e展示控制组与DMPESI处理组钙钛矿器件的EL光谱比较。DMPESI处理组EL强度显着高于控制组，有力证明DMPESI有效抑制非辐射复合，使更多载流子以辐射复合形式发光，展现优异的载流子质量。
电流密度-电压(J-V)曲线测量
评估太阳能电池光伏性能参数，单结电池在充氮手套箱中使用Keithley 2400测量，迭层电池使用Keithley 2450电压源测量单元，在EnliTech SS-X 3A太阳光模拟器照射下于空气中测量。
DMPESI处理显着提升器件性能表现：单结钙钛矿电池最佳效率达21.2%（VOC = 1.227 V，JSC = 21.0 mA cm-2，FF = 82.4%），对照组仅20%，且正向扫描几乎无J-V迟滞现象。
工业化纹理钙钛矿/硅迭层电池实现突破性的30.49%实验室效率，获得29.8%认证效率，相较对照组的29.05%，绝对效率提升超过1%，VOC提升40 mV，FF提升近2%。统计分析显示DMPESI修饰迭层电池平均效率比对照组提升1.2%。
Figure 3a展示单结钙钛矿电池最佳J-V曲线比较。DMPESI处理组器件曲线形状更佳，正反扫描迟滞现象显着减少，证实性能稳定性与效率提升。
Figure 4d呈现迭层电池最佳J-V曲线与效率分布统计。DMPESI处理组曲线明显优于控制组，特别在开路电压与填充因子方面，内嵌图统计超过30个器件的效率分布，显示处理组平均效率显着提高且数据分布更集中。
外部量子效率(EQE)
测量电池在不同波长下的光子-电子转换效率并计算集成光电流密度。单结电池在空气中使用配备锁相放大器的QE系统测量，迭层电池采用波长850 nm（底层电池）和460 nm（顶层电池）高亮度LED偏置光进行偏置照明测量。
DMPESI处理改善光谱响应特性：单结钙钛矿电池中，DMPESI处理组集成光电流密度达21.30 mA cm-2，优于控制组的21.19 mA cm-2。迭层电池的钙钛矿顶部子电池与SHJ底部子电池集成电流密度分别为20.67和20.25 mA cm-2，顶部子电池略高的电流密度设计旨在策略性引入电流失配，提升迭层器件性能与操作稳定性。
在纹理基板上，DMPESI处理器件在550 nm以下波段显示更高的整体响应，归因于表面分解产生的PbI2寄生吸收减少。
Figure 3c单结钙钛矿电池EQE曲线比较。DMPESI处理组在光谱响应上呈现提升，特别在短波长区域表现更佳，与其更高JSC值相符。
Figure 4fDMPESI处理迭层器件EQE曲线，包含钙钛矿顶部与硅底部子电池响应。两子电池EQE曲线重迭良好且在各自吸收区间表现出色，证实优异的光谱分配与电流匹配效果。
最大功率点追踪(MPPT) / 操作稳定性(ISOS-L-1)
评估器件在模拟阳光下长期运行稳定性。在环境空气（30-50%相对湿度）中使用多色LED模拟器提供AM1.5G标准光照（100 mW cm-2），器件运行温度约35°颁（自热），环境温度25°颁，无主动冷却条件下进行封装器件测试。
DMPESI处理显着提升长期操作稳定性：经DMPESI修饰的迭层器件在近1800小时MPPT测试后仍保持初始效率的84%。对照组器件仅在890小时后即迅速降解至初始效率约75%，展现出明显的性能差异。
Figure 4g展示封装迭层器件在AM1.5G全光谱模拟阳光下的MPP追踪结果。DMPESI处理组效率随时间衰减速度显着慢于控制组，有力证明其操作稳定性表现。
湿热测试(Damp Heat) / 长期稳定性(ISOS-D-3)
评估器件在高温高湿环境下的长期稳定性。将封装迭层器件置于环境测试箱中，维持恒定85°颁温度和85%相对湿度超过800小时，定期测量性能（约30分钟冷却后）。
DMPESI处理展现优异耐湿热性能：经DMPESI修饰的迭层器件在723小时湿热测试后仍维持初始效率的80%，耐用性表现突出。对照组器件在334小时后即降解至初始性能的67%，显示DMPESI在恶劣环境下的保护效果。
Figure 4h展现封装器件在85°颁/85% RH黑暗条件下的长期稳定性测试结果。DMPESI处理组在高湿热环境下展现更缓慢的效率衰减趋势，再次确认其优异的耐用性表现。
其他表征
X射线衍射(XRD)
表征钙钛矿薄膜相组成与结晶质量。DMPESI浓度超过3 mg/mL时在7°处形成1D DMPESPbI3相，处理组薄膜在延长退火及高湿度暴露下PbI2生成量微乎其微，对照组则显着增加。(Figure 1b)
扫描电子显微镜(SEM)
观察薄膜形态与晶粒尺寸变化。DMPESI处理薄膜在退火过程仅轻微分解并伴随晶粒显着生长，在纹理基板上呈现更均匀形态和更大晶粒，对照组则经历严重表面降解。(Figure 2a)
X射线光电子能谱(XPS)
确认DMPESI分子引入与Pb-I键合环境化学重构。S 2p光谱166.0 eV信号证实DMPESI引入，Pb 4f和I 3d核心能级结合能下移归因于1D结构中Pb-I键长增加。(Figure 1d.e)
飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)
探究DMPESI在薄膜内空间分布。添加剂主要富集于薄膜表面和底部界面区域，体内积累可忽略，归因于芳基添加剂共轭环结构的空间位阻效应。(Figure 1f)
时间分辨光致发光(TRPL)
测量载流子寿命评估非辐射复合速率。DMPESI处理薄膜载流子寿命显着延长至1045.0 ns（对照组515.8 ns），证明有效降低非辐射复合速率。(Figure 2f)
紫外-可见(UV-vis)吸收光谱
测量薄膜吸收特性与光学带隙。Tauc图显示DMPESI引入未引起薄膜带隙显着改变（Eg ≈ 1.67 eV）。(Figure 2d)
接触角测量
验证DMPESI处理后薄膜疏水性增强。处理薄膜在预退火和空气退火阶段均显示增强的疏水性表现。(Figure S9)
稳定功率输出(SPO)
测量器件长时间连续运行稳定功率。DMPESI处理迭层器件实现30.3%稳定功率输出。(Figure 4e)
照片/数字图像
直观展示器件物理外观与湿度暴露降解情况。80% RH测试中DMPESI处理组长期保持原始颜色完整性，对照组48小时内出现明显黄色分解点并大面积降解。(Figure 2g)
结论
研究团队通过引入DMPESI疏水性添加剂，成功解决了钙钛矿/硅迭层电池工业化制程的核心技术瓶颈，取得突破性成果。
DMPESI分子与PbI2反应形成1D DMPESPbI3钙钛矿，在界面形成保护性封装层，有效抑制空气退火过程中的薄膜分解。此机制促进更大晶粒形成，降低缺陷密度，显着改善载流子寿命（1045.0 ns vs 515.8 ns），并提升薄膜在高温高湿环境下的稳定性。
器件性能实现重大突破：单结钙钛矿电池效率达21.2%，几乎无J-V迟滞现象。工业化纹理钙钛矿/硅迭层电池创下30.49%实验室效率记录，获得29.8%认证效率，相较对照组绝对效率提升超过1%，VOC提升40 mV，FF提升近2%。
长期稳定性表现：迭层器件在1800小时MPPT测试后保持初始效率84%，723小时湿热测试后维持80%效率，远超对照组表现。在纹理基板上，DMPESI处理器件在短波长区域光谱响应更佳，证实PbI2寄生吸收有效减少。
此研究为工业化低成本大规模制造钙钛矿/硅迭层太阳能电池提供了可行的技术路径，结合创纪录的高效率与长期运行稳定性，为迭层电池商业化进程奠定坚实基础。
文献参考自ACS Energy Letters_DOI: 10.1021/acsenergylett.5c01010
本文章为Enlitech光焱科技改写 用于科研学术分享 如有任何侵权 请来信告知
