KAUST钙钛矿/钙钛矿/硅串联太阳能电池效率达到28.7%：3A分子实现高效稳定钙钛矿吸收层

 

钙钛矿/钙钛矿/硅三结太阳能电池具有高功率输出和低成本的潜力，但其发展受到钙钛矿相不稳定性的限制，影响了电池的可重复性和性能。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。

本文通过引入3-铵基丙酸碘盐（3A）作为添加剂，显著提升了两种钙钛矿吸收层的相稳定性，进而实现了高效率、高稳定性和良好重复性的三结太阳能电池。

三结电池的相不稳定性瓶颈

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理论上，通过将带隙约为1.50 eV的中间电池和带隙约为2.0 eV的顶电池与硅底电池结合，三结太阳能电池的效率极限可逼近49.5%。然而，实现该理论面临两大核心挑战：

中间层不稳定性：为实现~1.50 eV的理想带隙，中间层钙钛矿需采用接近纯相的甲脒铅碘（FAPbI₃）。但该材料在后续制备工艺的热循环、湿度暴露或水基原子层沉积过程中，极易从光活性的黑色α相转变为非活性的黄色δ相，导致电池性能衰退和制备重复性差。

顶层相分离：为实现~2.0 eV的宽禁带，顶层钙钛矿需富含溴元素。这类材料在光照下会发生卤素离子迁移与相分离，形成低带隙区域，造成电压损失和性能不稳。

3A添加剂增强相稳定性

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本文提出使用3-铵基丙酸碘盐（HOOC–CH₂–CH₂–NH₃⁺I⁻，简称3A）作为钙钛矿晶格的修饰剂。3A分子中的羧基（–COOH）可与钙钛矿中的Pb²⁺、Cs⁺、FA⁺等阳离子形成额外键合，从而提高相变能垒，抑制空位缺陷的形成，增强相稳定性。

中间层钙钛矿的稳定性提升

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中间层与顶层钙钛矿的相稳定性：a. 在～60% RH空气下的时间依赖XRD图谱b.在100℃/140℃退火10min后的XRD图谱c. DFT模型及细节d. 相变能DFT结果e. 空位形成能DFT结果f. PL光谱

通过对比未修饰、3C（n-丙基铵碘盐）和3A修饰的FAPbI₃薄膜，XRD结果显示：

对照组在 >60 % RH环境下1天内发生α→δ 相变；3C组延迟至2天；3A组则延迟至3天以上。此外，3A修饰还显著提升了电池的湿热稳定性：在85°C/85% RH条件下，3A修饰的电池在1340小时后仍保持86.4 %的初始效率，而对照组在800小时后已下降25 %。

顶层钙钛矿的光致相分离抑制

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对于成分为Cs₀.₄FA₀.₆PbBr₁.₇I₁.₃的~2.0 eV钙钛矿，3A修饰有效抑制了光致相分离。在1太阳光照下，对照组10分钟内出现低带隙相，而3A组在45分钟内未发生相分离。

钙钛矿薄膜：电子性能同步优化

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a.钙钛矿的QFLS（Δμ）mapping及结果；b.TRPL衰减曲线及载流子寿命；c.STEM图像；d.界面的ΔEint及DFT；e.瞬态光电流衰减曲线

3A策略不仅提升了稳定性，还意外地改善了钙钛矿材料的电学性能：

体相质量优化：中层钙钛矿的载流子寿命从对照组的1.39μs提升到2.33 μs（载流子存活时间越长，发电效率越高），表明其非辐射复合损失被有效抑制。

界面性质增强：3A分子在钙钛矿与空穴传输层（MeO-2PACz）的界面处起到了“桥梁”作用。STEM显示界面孔洞消失，DFT计算证实其降低了界面能、增强了相互作用，从而促进了更高效的电荷抽取。

通用性强：在含甲基铵（MA⁺）的钙钛矿中，3A也能提升性能，证明其不受具体组成限制。

单结电池：效率与稳定性双突破

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a. 光伏参数统计（n=12，含正反向扫描）；b. J-V曲线及光伏参数；c. 在85℃/85% RH、开路下老化1000h的归一化PCE；d. 在室温 MPP跟踪下的归一化PCE

中间层电池效率从24.1%提升至25.4%；顶层电池效率从13.1%提升至14.6%；稳定性方面，3A修饰的中间层电池在85°C/85%RH的苛刻湿热测试中，1000小时后仍保持89% 的初始效率；在最大功率点跟踪下，1300小时后仍保持94%的效率。

三结叠层太阳能电池性能

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a.结构示意图及截面SEM图像；b.电池特性统计（n=5）；c. 最优J-V 曲线；d. EQE 图谱；e.在充氮手套箱、1太阳下的归一化PCE

将 3A 修饰的中顶层钙钛矿与硅底电池集成，制备出 1cm²的三结电池（Si底电池/中间钙钛矿/顶层钙钛矿）。结果如下：

效率突破：最高功率转换效率（PCE）达 28.7 %，是目前已报道钙钛矿基三结电池的最高值之一；

重复性提升：电池的性能波动大幅减小，效率方差从4.11降至1.19，证明了该工艺具备优异的可重复性。

高稳定性：未封装的电池在连续1太阳光照下运行900小时后，仍能保持85%的初始效率，远超对照组（500小时后下降36.4%）。

本文通过将含–COOH 的阳离子（如3A）引入钙钛矿晶格，与 Cs⁺、FA⁺、Pb²⁺形成额外键合，既提高相变能垒，又抑制肖特基缺陷形成。该策略有效缓解了 FAPbI₃基中层钙钛矿的α→δ相变与富溴顶层钙钛矿的光诱导相分离，同时提升单结电池的湿热稳定性与 MPP跟踪稳定性，且显著提高PCE。为钙钛矿光伏的商业化提供了关键技术支撑。

钙钛矿复合式MPPT测试仪

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美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源，以其先进的技术和多功能设计，为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。 3A+光源，光源寿命10000h+，真实还原各场景实际光照条件

可选配恒温恒湿箱，满足IS0S标准

 

 

 多型号电子负载可选，多通道独立运行

 

 

不同波段光谱输出可调：7.350-400nm/400-750nm/750-1150nm均独立可控

 

 

美能钙钛矿复合式MPPT 测试仪主要应用于成品钙钛矿单结及叠层电池稳定性测试，因钙钛矿电池输出特性易受光照、温度等环境因素影响（如本文中光照致顶层钙钛矿相分离、温度循环影响中层钙钛矿稳定性），其最大功率点频繁波动，该测试仪的MPPT控制器可实时追踪并锁定最大功率点，确保系统始终以最优功率输出，既最大化发电量，又提升光伏系统的工作稳定性与经济性。

原文参考：Stabilized perovskite phases enabling efficient perovskite / perovskite / silicon triple-junction solar cells

 

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