研究背景
鈣鈦礦疊層太陽能電池在效率提升過程中，「埋藏接口」質(zhì)量已成為關(guān)鍵的技術(shù)制約因素。本研究深入探討鈣鈦礦子電池埋藏接口的技術(shù)瓶頸，致力于解決影響疊層電池光電轉(zhuǎn)換效率與長期穩(wěn)定性的核心問題。
• 結(jié)構(gòu)缺陷與化學(xué)反應(yīng)：在鈣鈦礦子電池的埋藏接口處，存在著有害的結(jié)構(gòu)缺陷和化學(xué)反應(yīng)，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致顯著的非輻射電荷載流子復(fù)合和有害的化學(xué)反應(yīng)。
• PEDOT:PSS 層帶來的挑戰(zhàn)：目前廣泛使用的空穴傳輸層 (HTL) PEDOT:PSS，其酸性和吸濕性會(huì)引發(fā)不利的氧化反應(yīng)，嚴(yán)重惡化鈣鈦礦材料及其器件在高溫和光照下的操作穩(wěn)定性。
•奈米空隙與結(jié)晶缺陷：由于 PEDOT:PSS 層可能存在的空間異質(zhì)性，以及錫鉛鈣鈦礦的快速生長，導(dǎo)致埋藏接口處產(chǎn)生高密度的形態(tài)奈米空隙、結(jié)晶缺陷、不利的應(yīng)變和較差的結(jié)晶度。尤其是在平滑的基板上，容易形成肉眼可見的「白斑」。
• 埋藏接口的研究挑戰(zhàn)：相較于頂層界面，鈣鈦礦層的埋藏界面在器件中相對難以接近且研究較少。
研究團(tuán)隊(duì)及研究重點(diǎn)
這項(xiàng)研究由華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心的陳煒和劉宗豪，及英國牛津大學(xué)Henry J. Snaith教授領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)布在頂刊《Nature communications》。主要透過設(shè)計(jì)一種巰基功能化介孔二氧化硅層（MSN-SH）作為鈣鈦礦薄膜埋藏界面的超結(jié)構(gòu)，來解決串聯(lián)光伏器件中子電池埋藏界面存在的有害結(jié)構(gòu)缺陷和化學(xué)反應(yīng)問題。這種方法旨在調(diào)控鈣鈦礦的結(jié)晶過程、消除奈米孔洞、鈍化缺陷，并抑制錫鉛鈣鈦礦薄膜中 Sn(II) 的氧化，從而顯著減少載流子損耗并提高器件的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵研究成果
Fig4c
1. 接口優(yōu)化技術(shù)突破 MSN-SH層通過多重機(jī)制實(shí)現(xiàn)接口改善：顯著提升鈣鈦礦前驅(qū)體潤濕性，有效消除奈米空隙與成膜缺陷；大幅釋放薄膜殘余應(yīng)變（從72.2 MPa降至4.6 MPa）并提升結(jié)晶度；利用硫醇基團(tuán)鈍化缺陷、抑制Sn(II)氧化，并將離子遷移能障從0.29 eV提升至0.58 eV；同時(shí)將接口黏附強(qiáng)度從0.26 MPa增強(qiáng)至0.67 MPa。
2. 效率性能突破 窄帶隙錫鉛鈣鈦礦單結(jié)電池達(dá)成23.7%最佳效率（平均23.1%），開路電壓0.89 V；全鈣鈦礦疊層電池實(shí)現(xiàn)29.6%最佳效率，認(rèn)證效率29.5%，穩(wěn)態(tài)效率28.7%，創(chuàng)下單片兩端疊層電池性能新高；11.3 cm2疊層迷你模塊效率達(dá)24.7%，展現(xiàn)優(yōu)異的放大潛力。
3. 穩(wěn)定性大幅提升 NBG單結(jié)電池在85°C暗氮?dú)猸h(huán)境老化164小時(shí)后保持85%初始效率；封裝疊層電池在1太陽光照下MPPT測試445小時(shí)后維持90%效率；疊層器件在85°C老化150小時(shí)后仍保有82%初始性能。
4. 技術(shù)普適性驗(yàn)證 MSN-SH處理策略同樣適用于鉛基寬帶隙鈣鈦礦，使1.77 eV電池效率達(dá)20.6%，并有效抑制混合鹵化物鈣鈦礦的光誘導(dǎo)鹵化物偏析現(xiàn)象。
實(shí)驗(yàn)步驟與過程
Fig1a
本研究核心策略為在鈣鈦礦埋藏接口處引入巰基功能化介孔二氧化硅層（MSN-SH）作為接口改質(zhì)層，透過系統(tǒng)性的組件制備與性能對比驗(yàn)證其效果。
單結(jié)電池制備流程： 標(biāo)準(zhǔn)制程包括ITO/玻璃基板清洗、空穴傳輸層（PEDOT:PSS或Me-4PACz）旋涂、關(guān)鍵的MSN-SH分散液旋涂與退火處理，接續(xù)鈣鈦礦前驅(qū)體溶液沉積與熱退火、表面鈍化層（EDAI2或PDAI2）處理，最后熱蒸鍍電子傳輸層（C60、BCP）與銀電極。
疊層電池制備： 采用分層構(gòu)建策略，先完成寬帶隙子電池制備，再透過原子層沉積技術(shù)構(gòu)建SnOx/Au重組接面，最后依序沉積窄帶隙子電池各功能層，形成完整的兩端疊層結(jié)構(gòu)。
模塊化驗(yàn)證： 在大面積基板上進(jìn)行雷射刻劃制程，形成多個(gè)串聯(lián)子電池單元，并完成互連與封裝，驗(yàn)證技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化潛力。
對比驗(yàn)證方法： 系統(tǒng)性比較引入與未引入MSN-SH層的組件在光電轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性與接口特性方面的差異，量化評(píng)估改質(zhì)效果。
表征方法與結(jié)果
準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂 (QFLS) 與光致發(fā)光量子效率 (PLQY)
評(píng)估鈣鈦礦薄膜開路電壓潛力與非輻射復(fù)合損失程度，基于PLQY結(jié)果計(jì)算QFLS值。
MSN-SH處理有效降低PEDOT:PSS層界面損失并大幅改善薄膜光電性質(zhì)。PEDOT:PSS/MSN-SH/鈣鈦礦堆棧的PLQY從對照組的0.885%顯著提升至5.586%，對應(yīng)QFLS值從0.856 eV增加到0.903 eV，展現(xiàn)出優(yōu)異的電壓潛力提升效果。
Fig. 3f 透過比較實(shí)際電壓與理論電壓潛力，量化了 MSN-SH 接口改良在提升鈣鈦礦太陽能電池開路電壓上的效果
FigS. 30a, 30b分別展示不同堆棧結(jié)構(gòu)的PLQY與QFLS數(shù)據(jù)比較。MSN-SH樣品在兩項(xiàng)指標(biāo)上均明顯優(yōu)于對照組與MSN樣品，證實(shí)其在抑制非輻射復(fù)合與提升開路電壓潛力方面的顯著效果。
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電流-電壓 (J-V) 特性與光電轉(zhuǎn)換效率測試
評(píng)估器件基本電學(xué)性能、光電轉(zhuǎn)換效率與遲滯現(xiàn)象。
MSN-SH處理在各類型電池上均實(shí)現(xiàn)顯著性能提升：
窄帶隙 (NBG) 錫鉛鈣鈦礦單結(jié)電池：，MSN-SH修飾器件平均PCE達(dá)23.10%，較對照組的19.64%大幅提升。最佳器件實(shí)現(xiàn)23.74% PCE (VOC 0.887 V, JSC 32.77 mA cm-2, FF 81.67%)，且遲滯現(xiàn)象幾乎可忽略。
寬帶隙 (WBG) 鈣鈦礦單結(jié)電池：展現(xiàn)良好普適性，1.77 eV器件PCE高達(dá)20.60% (VOC 1.330 V, JSC 18.29 mA cm-2, FF 84.69%)，第三方認(rèn)證效率為20.27%。
全鈣鈦礦疊層器件：受益于雙子電池同步優(yōu)化，平均PCE達(dá)29.16%，最佳器件實(shí)現(xiàn)29.63% PCE (VOC 2.176 V, JSC 16.33 mA cm-2, FF 83.38%)。經(jīng)SIMIT第三方認(rèn)證PCE為29.50%，穩(wěn)態(tài)效率28.7%。
Fig. 3c, Fig. 4c及FigS. 37分別展示單結(jié)與疊層器件的J-V特性，均顯示極低遲滯與優(yōu)異的光電性能表現(xiàn)。
外部量子效率 (EQE) 測試
評(píng)估器件在不同波長下的光電轉(zhuǎn)換效率并計(jì)算集成短路電流密度。使用Enlitech QE-R量子效率測量系統(tǒng)在環(huán)境空氣中進(jìn)行測試，疊層器件測量時(shí)分別以850 nm與460 nm高亮度LED對WBG與NBG子電池進(jìn)行偏壓。
MSN-SH處理有效提升器件量子效率表現(xiàn)。NBG錫鉛鈣鈦礦單結(jié)電池的EQE光譜在整個(gè)波長范圍內(nèi)均有改善，特別是長波長區(qū)域響應(yīng)增強(qiáng)，集成JSC從對照組的31.42 mA cm-2提升至32.35 mA cm-2。
全鈣鈦礦疊層器件展現(xiàn)良好的光譜匹配特性，WBG子電池集成JSC為16.26 mA cm-2，NBG子電池為16.02 mA cm-2，兩者電流密度高度匹配且光譜響應(yīng)區(qū)間互補(bǔ)，為實(shí)現(xiàn)高效率疊層結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。
Fig. 3d與Fig. 4d分別展示單結(jié)與疊層器件的EQE光譜比較，清楚呈現(xiàn)MSN-SH處理在提升光收集與電荷提取效率方面的顯著效果。
電致發(fā)光外部量子效率 (EQEEL)
量化器件非輻射復(fù)合損失程度，與VOC性能密切相關(guān)。使用Enlitech ELCT-3010(REPS)系統(tǒng)進(jìn)行測量，注入電流密度設(shè)定接近太陽光照下的短路電流密度。
MSN-SH處理對器件EQEEL產(chǎn)生顯著改善效果。在接近JSC的電流注入條件下，器件EQEEL值從對照組的0.20%大幅提升至2.61%，增幅達(dá)13倍。此顯著提升直接證實(shí)MSN-SH有效抑制器件內(nèi)非輻射復(fù)合過程。
對應(yīng)的非輻射復(fù)合損失減少約70 mV，與器件VOC實(shí)際改善幅度高度吻合，驗(yàn)證了EQEEL測試結(jié)果的可靠性與MSN-SH接口改質(zhì)策略的有效性。
Fig. 3e展示對照組與MSN-SH器件的EQEEL-電流密度關(guān)系比較，MSN-SH器件在整個(gè)電流范圍內(nèi)均展現(xiàn)明顯優(yōu)勢，特別是在低電流密度區(qū)域的表現(xiàn)更為突出。
開路電壓 (VOC) 損耗分析
基于詳細(xì)平衡理論量化VOC損失組件，包括非理想EQE損失、次帶隙輻射復(fù)合損失與非輻射復(fù)合損失，精確定位器件電壓偏離理論極限的原因。分析采用實(shí)測的VOC、EQEEL等關(guān)鍵參數(shù)作為計(jì)算輸入。
MSN-SH處理顯著降低器件總VOC損失。其中最關(guān)鍵的改善來自非輻射復(fù)合損失的大幅減少，從對照組的160 mV降至MSN-SH樣品的94 mV，減幅達(dá)41%。這一結(jié)果與器件實(shí)際VOC提升高度吻合，證實(shí)MSN-SH在抑制非輻射復(fù)合方面的關(guān)鍵作用。
FigS. 29a詳細(xì)比較對照組與MSN-SH NBG電池的各項(xiàng)VOC損失組件，清楚展現(xiàn)MSN-SH器件在非輻射復(fù)合損失減少方面的顯著優(yōu)勢。
瞬態(tài)光電流 (TPC) 與瞬態(tài)光電壓 (TPV)
探究器件內(nèi)電荷載流子提取與復(fù)合動(dòng)力學(xué)，評(píng)估接口修飾對電荷傳輸路徑的影響。
MSN-SH處理同步改善電荷提取與抑制復(fù)合過程。器件電流衰減壽命從對照組的3.86 µs縮短至2.37 µs，證明電荷載流子提取速度加快；電壓衰減壽命從149 µs延長至626 µs，反映電荷復(fù)合被有效抑制。
FigS. 26a, 26b分別展示TPC與TPV衰減曲線比較，MSN-SH器件在TPC測試中衰減更快，TPV測試中衰減更慢，清楚驗(yàn)證埋藏接口修飾在促進(jìn)電荷提取與抑制接口復(fù)合方面的雙重效果。
操作穩(wěn)定性 (MPPT) 測試
評(píng)估器件在連續(xù)光照最大功率點(diǎn)偏置下的長期運(yùn)行穩(wěn)定性。
MSN-SH處理顯著提升器件長期穩(wěn)定性。未封裝NBG單結(jié)電池連續(xù)操作450小時(shí)后保持93%初始效率，遠(yuǎn)優(yōu)于對照組370小時(shí)后的68%。封裝全鈣鈦礦疊層器件在430小時(shí)連續(xù)操作后維持90%以上效率，大幅超越對照組325小時(shí)后的75%表現(xiàn)。
Fig. 3h, Fig. 4f分別展示單結(jié)與疊層器件的MPPT穩(wěn)定性曲線，MSN-SH器件在兩種配置下均展現(xiàn)長期操作穩(wěn)定性，證實(shí)其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)異潛力。
其他表征
分散液儲(chǔ)存穩(wěn)定性測試 評(píng)估納米粒子分散液在儲(chǔ)存過程中的穩(wěn)定性，影響器件制備的加工窗口。MSN-SH分散液在48小時(shí)后無沉降現(xiàn)象，大幅優(yōu)于Al2O3的1小時(shí)沉淀。（FigS. 8）
納米粒子特性表征 全面分析MSN與MSN-SH的物理尺寸、孔隙結(jié)構(gòu)及功能化成功性。MSN-SH粒徑減至100 nm，FTIR與Raman光譜在2569與2563 cm-1處確認(rèn)巰基成功接枝。（FigS. 10a）
潤濕性與成核測試 研究MSN-SH對鈣鈦礦前驅(qū)體溶液潤濕行為的影響。接觸角從22.6°降至12.7°，顯著改善潤濕性并促進(jìn)異質(zhì)成核。（FigS. 11）
薄膜形態(tài)SEM觀察鈣鈦礦薄膜表面及埋藏界面形貌，判斷納米空洞存在。MSN-SH基薄膜呈現(xiàn)致密結(jié)晶區(qū)域且無納米空洞，與對照組圓頂狀空洞形成對比。（Fig. 1c）
結(jié)晶度GIWAXS分析 評(píng)估鈣鈦礦薄膜在埋藏接口附近的結(jié)晶度。MSN-SH基薄膜在各入射角下均顯示更強(qiáng)衍射強(qiáng)度，結(jié)晶度更高且非晶相程度更低。（Fig. 1d）
殘余應(yīng)變GIXRD測試 評(píng)估鈣鈦礦薄膜中的殘余應(yīng)力狀態(tài)。MSN-SH有效將拉伸應(yīng)力從72.2 MPa降至4.6 MPa，大幅釋放薄膜應(yīng)變。（Fig. 1h）
機(jī)械強(qiáng)度測試 驗(yàn)證MSN-SH對埋藏接口機(jī)械耐久性的增強(qiáng)效果。臨界拉伸強(qiáng)度從0.26 MPa提升至0.67 MPa，比斷裂能從25增至83 kJ m-3。（Fig. 1g）
接口穩(wěn)定性綜合分析 透過DFT計(jì)算、溫度依賴電導(dǎo)率、UV-Vis及XPS深入探討穩(wěn)定性機(jī)制。離子遷移活化能從0.29 eV提升至0.58 eV，Sn(IV)含量顯著降低，有效抑制降解。（Fig. 2b）
鹵化物偏析時(shí)間依賴PL測試 評(píng)估混合鹵化物鈣鈦礦在長時(shí)間光照下的相偏析現(xiàn)象。MSN-SH修飾薄膜在曝光期間PL形狀保持良好，有效抑制鹵化物偏析。（FigS. 38c）
結(jié)論
該研究成功開發(fā)巰基功能化介孔二氧化硅層（MSN-SH）作為鈣鈦礦電池埋藏接口的超結(jié)構(gòu)改質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦疊層太陽能電池效率與穩(wěn)定性的顯著提升。
核心技術(shù)突破：
接口質(zhì)量優(yōu)化方面，MSN-SH有效調(diào)節(jié)鈣鈦礦結(jié)晶過程、消除奈米空隙并鈍化缺陷，同時(shí)抑制Sn(II)氧化，大幅減少載流子損失。機(jī)械強(qiáng)度從0.26 MPa提升至0.67 MPa，殘余拉伸應(yīng)力從72.2 MPa降至4.6 MPa，離子遷移活化能從0.29 eV提高至0.58 eV。
器件性能表現(xiàn)方面，錫鉛鈣鈦礦單結(jié)電池效率達(dá)23.7%，全鈣鈦礦疊層電池實(shí)現(xiàn)29.6%效率（認(rèn)證29.5%，穩(wěn)態(tài)28.7%），位居單片兩端疊層電池性能前列。11.3 cm2疊層迷你模塊效率達(dá)24.7%，展現(xiàn)優(yōu)異產(chǎn)業(yè)化潛力。
長期穩(wěn)定性方面，封裝疊層電池在1太陽光照MPPT測試445小時(shí)后維持90%以上初始效率，85°C熱老化150小時(shí)后仍保持82%性能，遠(yuǎn)超對照組表現(xiàn)。
技術(shù)普適性獲得驗(yàn)證，MSN-SH策略同樣適用于鉛基寬帶隙鈣鈦礦，1.77 eV電池效率達(dá)20.6%，并有效抑制混合鹵化物偏析現(xiàn)象。
文獻(xiàn)參考自nature communications_DOI: 10.1038/s41467-025-59891-z
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