研究背景與挑戰(zhàn)：高效能紋理化鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的技術(shù)瓶頸

1. 技術(shù)潛力與產(chǎn)業(yè)實踐的落差

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池因能利用成熟的晶硅產(chǎn)線并實現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）而成為學術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界關(guān)注焦點。近年 PCE 的突破主要來自于：光管理技術(shù)優(yōu)化、鈣鈦礦結(jié)晶質(zhì)量提升與缺陷鈍化、空穴選擇性自組裝單分子層開發(fā)，以及鈣鈦礦/電子傳輸層（C60）界面鈍化策略的進展。

然而，現(xiàn)有高效鈍化策略多應(yīng)用于平面基板的溶液制程，往往需要對硅底電池進行客制化處理（如額外拋光或調(diào)整金字塔尺寸）。這與工業(yè)標準硅技術(shù)采用的隨機金字塔形貌（高度 > 1 μm，遠超鈣鈦礦厚度）存在本質(zhì)沖突，使得高效策略難以整合至紋理化硅基板。

2. 紋理化疊層電池的核心挑戰(zhàn)

基于大尺寸紋理硅的紋理化鈣鈦礦/硅疊層電池雖具備制造成本優(yōu)勢和優(yōu)異光管理效果，但在實施有效的鈣鈦礦/C60 界面鈍化方面面臨關(guān)鍵技術(shù)障礙，導致與平面器件相比開路電壓（VOC）損失超過 100 mV。

3. 性能損失的電學機制

深入分析顯示，紋理化疊層電池的性能下降源于以下電學問題：

• 能帶失配效應(yīng)： 鈣鈦礦與電子傳輸層間的大導帶偏移（ΔEC,ETL）導致頂部接觸處載流子濃度嚴重失衡，且此效應(yīng)延伸至整個鈣鈦礦體積

• 界面復合損失： 載流子濃度失衡引發(fā)高界面復合率，直接導致 VOC 顯著下降

• 傳輸性能劣化： 吸收層中等載流子濃度限制了內(nèi)部電導率，造成嚴重的載流子傳輸與選擇性損失，表現(xiàn)為填充因子（FF）性能不佳

研究團隊與主要成果

本研究由德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所（Fraunhofer ISE）的 Oussama Er-raji 教授與 Stefan W. Glunz 教授，以及阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的 Stefaan De Wolf 教授共同主導，研究成果發(fā)表于國際期刊 Science。研究團隊成功提出突破性的界面工程策略，大幅提升了工業(yè)標準紋理化鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的性能與穩(wěn)定性。

主要研究策略

• 混合式兩步驟鈣鈦礦沉積方法： 與工業(yè)標準紋理化硅基板兼容

• PDAI 表面處理技術(shù)： 引入 1,3-二氨基丙烷二氫碘化物進行鈣鈦礦表面處理，降低鈣鈦礦與電子傳輸層（C60）間的導帶偏移，并在整個鈣鈦礦吸收層內(nèi)誘導電子累積

研究成就與技術(shù)看點

Fig.4D

• 核心創(chuàng)新：電子累積的深層場效鈍化機制

• 突破傳統(tǒng)界面鈍化僅抑制界面復合的限制，PDAI 在整個鈣鈦礦吸收層內(nèi)部誘導顯著電子累積

• 成功降低鈣鈦礦/C60 界面導帶偏移（ΔEC,ETL），減少界面復合損失

• 顯著提高鈣鈦礦吸收層電導率，大幅減少載流子傳輸損失，改善填充因子表現(xiàn)

• 器件性能里程碑突破

• 功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）達 33.1%，創(chuàng)紋理化疊層電池新高

• 開路電壓（VOC）高達 2.01       V，消除了過去紋理化器件 >100 mV 的性能落差

• 填充因子（FF）顯著提升，證實降低傳輸損失策略的有效性

• 工業(yè)兼容架構(gòu)性能與目前紀錄保持器件相當

• 優(yōu)異穩(wěn)定性與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用潛力

• 獲得經(jīng)認證的       31.6% 穩(wěn)定 PCE，展現(xiàn)實際應(yīng)用價值

• PDAI 處理透過抑制離子遷移，顯著增強器件長期操作穩(wěn)定性

• 在紅海沿岸熱濕戶外環(huán)境及濕熱測試中表現(xiàn)出色，對 FF 和 VOC 損失具良好抵抗力

• 策略在不同研究機構(gòu)間展現(xiàn)重現(xiàn)性，證明產(chǎn)業(yè)化可行性

實驗步驟與制程流程

Fig.4B

1. 紋理化硅底部電池制備

采用 250 μm 厚 p 型浮區(qū)硅晶圓（電阻率 1 Ω·cm），利用 KOH 溶液進行工業(yè)標準雙面隨機金字塔紋理化，形成 1-4 μm 高度金字塔結(jié)構(gòu)。經(jīng)臭氧濕化學清洗后，以 PECVD 技術(shù)在雙面沉積本征/摻雜非晶硅鈍化層（~27 nm），并分別在正面和背面濺射 ITO 重組層（20 nm）與完整的 ITO/Ag 電極結(jié)構(gòu)。最終將晶圓雷射劃刻為 2.2×2.2 cm2 或 2.5×2.5 cm2 基板，保留 1×1 cm2 ITO 焊盤作為活性區(qū)。

2. 鈣鈦礦頂部電池的混合沉積技術(shù)

硅基板經(jīng)乙醇清洗和 UV/臭氧處理后，先旋涂沉積 Me-4PACz 空穴傳輸層。鈣鈦礦吸收層采用創(chuàng)新的混合式兩步驟蒸發(fā)/旋涂方法制備：(一)共蒸發(fā) PbI?/CsX 無機骨架（~550 nm），(二)動態(tài)旋涂 FAI/FABr 有機鹵化物溶液（含少量尿素結(jié)晶劑），并通過調(diào)整 FABr/FAI 比例控制目標帶隙（1.67 或 1.70 eV）。完成后在空氣中 100°C 退火 10 分鐘。

3. PDAI 界面鈍化策略實施

在鈣鈦礦層形成后，引入核心創(chuàng)新技術(shù) - 1,3-二氨基丙烷二氫碘化物（PDAI）表面處理。PDAI 溶于氯苯/異丙醇混合溶劑中，可透過旋涂或浸涂方式沉積（浸涂法展現(xiàn)良好可擴展性），隨后 100°C 退火 3 分鐘，實現(xiàn)鈣鈦礦/C60 界面的深層場效鈍化。

4. 電極與光學層建構(gòu)

完成 PDAI 處理后，依序真空蒸發(fā) C60 電子傳輸層（18 nm），ALD 沉積 SnO? 緩沖層（15-30 nm，80°C），屏蔽濺射頂部透明導電氧化物（ITO 或 IZO），蒸發(fā) Ag 頂部電極（650 nm），最后熱蒸發(fā) MgF? 抗反射層（140 nm）。所有蒸發(fā)制程均由石英晶體微天平精確監(jiān)控。

5. 穩(wěn)定性評估與封裝

為評估長期穩(wěn)定性，采用 PV 帶和銀漿連接電池并進行工業(yè)級封裝。封裝結(jié)構(gòu)包含太陽能玻璃、TPU 封裝劑和 PIB 邊緣密封劑，整體在真空層壓機中 120°C 處理 20 分鐘，確保優(yōu)異的環(huán)境保護性能。

研究成果與表征

準費米能階分裂 (QFLS) 影像分析

QFLS 用于量化材料的開路電壓 (VOC) 潛力，幫助研究人員理解非輻射復合損失的來源，并評估不同制程對材料性能的影響，為界面工程和材料優(yōu)化提供證據(jù)。

參考鈣鈦礦薄膜的準費米能階分裂 (iVOC) 影像顯示空間波動性較大，標準偏差 (σ) 為 38 mV，平均值為 1.23 V。經(jīng)過 PDAI 處理后，iVOC 的空間均勻性顯著提高，σ 降低至 26 mV，平均 iVOC 增加了 20 mV 達到 1.25 V，這表明 PDAI 具有輕微的化學鈍化特性。在沉積 C60 后，參考堆棧的 iVOC 下降 80 mV 至 1.15 V，且分布更廣 (σ = 65 mV)，但 PDAI 鈍化后的堆棧 iVOC 保持在 1.23 V，分布也更窄 (σ = 17 mV)。

Fig. 3A 顯示了參考和 PDAI 處理后鈣鈦礦薄膜的 iVOC 影像。

為了精準掌握材料的 QFLS 特性并快速評估其潛力，Enlitech 的QFLS-Maper 準費米能階分裂檢測儀器是理想之選。它能以極快的速度（QFLS 影像不到 3 秒，Pseudo J-V 曲線不到 2 分鐘）提供直觀的 QFLS 可視化影像，并量測 iVOC、Pseudo J-V、PLQY 及 EL-EQE 等關(guān)鍵參數(shù)。這不僅能幫助研究人員迅速預測材料效率極限，更能透過可視化方式一眼看出材料質(zhì)量與準費米能階分布，大幅提升研發(fā)效率。

J-V 曲線測量

用于直接評估太陽能電池的關(guān)鍵性能參數(shù)。偽 J-V (pseudo-J-V) 曲線則用于量化器件的串聯(lián)電阻 (RS) 和傳輸損失。

透過 PDAI 策略，器件的 PCE 從 29.1% 提升至 32.3%，其中 VOC 從 1.83 V 增加到 1.94 V，FF 從 79.4% 提升到 81.6%。紀錄的器件更達到了 33.1% 的 PCE 和 2.01 V 的 VOC。

偽 J-V 測量顯示，PDAI 處理后，偽填充因子 (pFF) 與實際 FF 的差異從參考器件的 6% 顯著下降至 3%。同時，功率點 (MPP) 的串聯(lián)電阻 (RS) 也從 6 奧姆-平方公分降低到 3 奧姆-平方公分。這表明 PDAI 主要透過調(diào)控載流子密度，降低了 RS 的非奧姆貢獻，從而減少了傳輸損失。

Fig. 4D 展示了疊層太陽能電池的 J-V 曲線，其 PCE 達到 33.1%，VOC 為 2.01 V，彰顯了本研究策略在性能上的突破。

Fig. 3E 描繪了參考和 PDAI 鈍化疊層太陽能電池的 J-V、偽 J-V 和推導 J-V 曲線，直觀顯示了 PDAI 如何縮小了 pFF 與 FF 之間的差距，證明其在降低傳輸損失方面的有效性。

Fig. S17A 進一步提供了有 PDAI 處理和無 PDAI 處理的器件在正向和反向掃描下的 J-V 曲線及其詳細的光伏參數(shù)，明確顯示了 PDAI 在 VOC、FF 和 PCE 上的提升。

進行精確的 J-V 曲線測量，特別是對新一代太陽能電池如鈣鈦礦/硅疊層電池，Enlitech 的 SS-X AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器 能提供 A+ 級光譜精度和優(yōu)異的穩(wěn)定性。搭配其 IVS-KA6000 綜合測試軟件，不僅能執(zhí)行正向/反向 IV 掃描及多信道測試，更具備 NREL 漸近檢測功能。SS-X 結(jié)合 SS-IRIS 技術(shù)，能在不改變光譜的情況下自動調(diào)整光強度，支持 Sun-Voc 等復雜測試。

EQE 測量

測量用于確定太陽能電池在不同波長光照下的電流收集效率，并評估疊層電池各子電池之間的電流匹配情況。

PDAI 處理后，器件的 短路電流密度 (JSC) 保持不變，這一結(jié)果與 EQE 和反射率測量結(jié)果一致。研究團隊還透過將鈣鈦礦帶隙從 1.67 eV 調(diào)整到 1.70 eV，以實現(xiàn)更好的電流匹配，這進一步提升了器件性能。EQE 曲線的穩(wěn)定性也間接證明了器件的長期穩(wěn)定性未受影響。

Fig. S17B 呈現(xiàn)了參考和 PDAI 處理器件的 EQE 測量結(jié)果，顯示兩者的光譜響應(yīng)曲線相似，支持了 JSC 保持一致的觀察。

Fig. S17C 顯示了相應(yīng)的反射率測量結(jié)果，進一步驗證了光學管理方面的比較性。

Fig. S23A 則展示了不同帶隙（1.67 eV 和 1.70 eV）器件的 EQE 測量，強調(diào)了帶隙調(diào)整如何影響鈣鈦礦子電池的光譜吸收邊緣，以達到電流匹配。

Enlitech 的 QE-R 量子效率量測系統(tǒng) 是光伏研究中值得信賴的工具，以其重復性和精度，廣泛應(yīng)用于超過 500 個光伏研究實驗室，并被 1,000 多篇 SCI 論文引用，包括《自然》、《科學》等旗艦期刊。QE-R 系統(tǒng)特別設(shè)計了雙獨立鎖相放大器，能精確測量多結(jié)太陽能電池的量子效率，包括鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池。它提供 EQE、IPCE、SR、IQE 和反射率等多種數(shù)據(jù)，并能進行電流積分計算。

UPS 與 AM-KPFM 測量

紫外光電子能譜 (UPS) 用于分析薄膜的功函數(shù) (Wf) 和電離電位 (IP)，以研究鈣鈦礦/C60 界面的能帶對齊。振幅調(diào)變開爾文探針力顯微鏡 (AM-KPFM) 則用于驗證功函數(shù)變化，并觀察表面電位分布的均勻性。

UPS 測量顯示，PDAI 鈍化后的鈣鈦礦薄膜功函數(shù) (Wf) 比參考樣品增加了 270 meV (從 4.49 eV 增至 4.76 eV)。電離電位 (IP) 的變化表明了偶極的形成。這種偶極形成導致與 C60 界面處的能帶偏移從參考樣品的 180 meV 最小化至 70 meV。AM-KPFM 結(jié)果也顯示 PDAI 處理后的表面電位分布更加均勻。

Fig. 2A 呈現(xiàn)了參考和 PDAI 處理薄膜的二次電子截止區(qū)域的 UPS 測量結(jié)果。

Fig. 2C 展示了參考和 PDAI 處理薄膜與 C60 的能帶圖。

Fig. S9G 則透過 AM-KPFM 測量結(jié)果顯示了參考和 PDAI 處理薄膜的功函數(shù)分布。

DFT 計算

計算用于從理論層面深入理解 PDAI 分子在鈣鈦礦表面形成偶極的機制和其方向。

DFT 計算揭示 PDAI 分子具有 8.27 D 的偶極矩。研究發(fā)現(xiàn)，PDAI 與有機富集的鈣鈦礦表面（本研究使用的混合蒸發(fā)/旋涂方法產(chǎn)生的表面）相互作用時，會誘導一個指向 C60 的正偶極，從而導致功函數(shù)增加。這與實驗觀察到的功函數(shù)增加趨勢一致。

Fig. 2D 顯示了 PDAI 分子的化學結(jié)構(gòu)和靜電勢能圖。

Fig. 2F 展示了 PDAI 與有機終端 MAPbI3 相互作用后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和感應(yīng)電荷密度差異。

Fig. 2G 呈現(xiàn)了 PbI2-終端和 MAI-終端 MAPbI3 在有無 PDAI 情況下的計算功函數(shù)。

時間解析 PL (TRPL) 與瞬態(tài)吸收光譜 (TA)

時間解析光致發(fā)光 (TRPL) 測量用于解耦界面電荷轉(zhuǎn)移和界面電荷復合的競爭過程。瞬態(tài)吸收 (TA) 光譜則用于詳細研究納秒時間尺度的載流子動力學和非發(fā)射陷阱態(tài)信號。

帶有 C60 的參考樣品，其微分壽命在 ~1 μs 處達到平臺期，相較于無 C60 的參考樣品減少了一個數(shù)量級，表明界面復合主導了動力學。相比之下，經(jīng) PDAI 處理且?guī)в?/span> C60 的堆棧顯示微分壽命平臺期約為 ~10 μs，而無 C60 時為 ~13 μs，這強烈表明目標堆棧中的界面復合顯著減少。TA 測量結(jié)果進一步顯示，參考樣品中存在的長壽命淺陷阱載流子信號，在 PDAI 處理后消失。PDAI 處理使參考/C60 堆棧的 TA 帶隙漂白加權(quán)平均載流子壽命從 27 ns 增加到 53 ns，證實 VOC 改善的主要原因是界面復合的減少。

Fig. 3B 顯示了參考和 PDAI 處理薄膜的時間解析 PL 衰減曲線。

Fig. 3D 呈現(xiàn)了瞬態(tài)吸收測量中參考和 PDAI 處理薄膜的帶隙漂白衰減曲線。

Suns-VOC 測量

在開路條件下進行，避免電荷提取，獲得的偽 J-V 曲線被認為沒有傳輸損失，可用于量化總串聯(lián)電阻 (RS)。

測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然偽填充因子 (pFF) 保持在 85% 不變，但 pFF-FF 差異在 PDAI 鈍化器件中從參考器件的 6% 降低到 3%。因此，在功率點 (MPP) 的串聯(lián)電阻 (RS) 計算值顯著下降，從 6 奧姆-平方公分降至 3 奧姆-平方公分。在不同操作電壓下評估 RS，目標器件顯示出較小的斜率，強調(diào) PDAI 主要是透過調(diào)節(jié)載流子密度，降低了 RS 的非奧姆貢獻。

Fig. 3E 展示了參考和 PDAI 鈍化疊層太陽能電池的 J-V、偽 J-V 和推導 J-V 曲線。

Fig. S14 描繪了參考和 PDAI 處理器件在不同操作電壓下的 RS 曲線。

偏壓輔助電荷提取 (BACE) 測量

用于量化太陽能電池中移動離子的濃度，這對于理解鈣鈦礦器件的長期操作穩(wěn)定性至關(guān)重要。

穩(wěn)定性測試后，參考器件的移動離子濃度 (6.5 × 10^17 cm?3) 是目標器件 (2.6 × 10^17 cm?3) 的近三倍。這可能是參考器件加速降解的明確原因。結(jié)果顯示，經(jīng) PDAI 改性的鈣鈦礦/C60 界面能夠有效固定離子遷移，從而增強器件的操作穩(wěn)定性。

Fig. S26A, B 呈現(xiàn)了代表性參考太陽能電池和 PDAI 鈍化太陽能電池在穩(wěn)定性測試前后的 BACE 測量結(jié)果。

其他表征

戶外穩(wěn)定性與濕熱測試 驗證器件在實際操作環(huán)境下的長期可靠性。PDAI鈍化器件在紅海沿岸戶外環(huán)境展現(xiàn)穩(wěn)定性，濕熱測試中PCE相對于初始性能的保留率從73.7%提升至83.4%，顯著提升FF與VOC抗衰減能力。(Fig. 4F, Fig. S27)

X射線光電子能譜（XPS） 確認PDAI分子在鈣鈦礦表面的成功吸附與化學相互作用。檢測到PDAI分子特征信號，C-N鍵信號增強，N 1s、Pb 3d和I 3d核心能級向低結(jié)合能位移，證實PDAI與鈣鈦礦表面發(fā)生有效相互作用。(Fig. S5A-D)

結(jié)構(gòu)表征（XRD, GIWAXS, STEM） 驗證PDAI處理不影響鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)完整性。確認系統(tǒng)中未形成低維鈣鈦礦相，3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在界面保持不變，PDAI處理對鈣鈦礦形態(tài)無顯著影響。(Fig. S6A-G, Fig. S7C-E)

掃描電子顯微鏡（SEM） 觀察器件橫截面形態(tài)及鈣鈦礦薄膜表面結(jié)構(gòu)。證實各層結(jié)構(gòu)清晰，PDAI添加未導致鈣鈦礦表觀晶粒尺寸改變，維持良好的薄膜共形性。(Fig. 4B, Fig. S8A-B)

太赫茲光譜與空間電荷限制電流（SCLC） 量測載流子遷移率與缺陷密度，理解導電率提升機制。載流子遷移率維持相近水平（16.5-18.5 cm2/Vs），電子濃度增強為串聯(lián)電阻降低的根本原因，缺陷密度從1.55×10^15降至1.15×10^15 cm^-3。(Fig. S15, Fig. S16A-B)

研究結(jié)論與成果總結(jié)

研究成功開發(fā)基于1,3-二氨基丙烷二氫碘化物（PDAI）的鈍化策略，顯著提升工業(yè)標準紋理化硅基鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的效率與穩(wěn)定性。

創(chuàng)紀錄器件性能

器件實現(xiàn)33.1%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE） 和2.01 V開路電壓（VOC），其中認證穩(wěn)態(tài)PCE達31.6%。這使得紋理化硅基疊層電池的性能與當前平面型疊層電池的紀錄持平，證明在復雜工業(yè)基板上實現(xiàn)高效鈍化的可行性，克服了高表面積帶來的鈍化挑戰(zhàn)。

核心創(chuàng)新：深層場效應(yīng)鈍化機制

PDAI透過功函數(shù)工程 在鈣鈦礦/C60界面誘導正偶極矩，將導帶偏移（ΔEC,ETL）從參考器件的180 meV降至目標器件的70 meV。關(guān)鍵突破在于「深層場效應(yīng)鈍化」 將電子積累擴展至整個鈣鈦礦吸收層體材料，使吸收層內(nèi)的平均電子濃度從模擬的1×10^14提升至4×10^15 cm^-3。這顯著增強了吸收層的導電性并降低了載流子傳輸損失，成為填充因子（FF）改善的主要驅(qū)動力。

優(yōu)異的長期穩(wěn)定性

器件在紅海沿岸戶外環(huán)境 連續(xù)運作超過1000小時保持穩(wěn)定輸出，濕熱測試（85°C, 85%RH, 1000小時）中，PCE相對于初始性能的保留率從73.7%提升至83.4%。PDAI處理有效固定鈣鈦礦/C60界面上的離子遷移，大幅降低了移動離子濃度，從根本上改善了器件的運行穩(wěn)定性。

工業(yè)化應(yīng)用潛力

該策略與工業(yè)兼容的混合兩步沉積法匹配，適用于大金字塔尺寸的紋理化硅基板。研究已驗證透過浸涂法沉積PDAI的可擴展性，其作用機制使其在多種鈣鈦礦組合物中均能成功提升性能。

文獻參考自Science_DOI: 10.1126/science.adx1745

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