全钙钛矿叠层电池效率突破30.1%：基于偶极钝化策略

 

全钙钛矿叠层太阳能电池，通过将宽带隙和窄带隙钙钛矿子电池组合，被认为是突破单结电池效率极限的下一代技术。然而，其性能一直受限于窄带隙子电池中，空穴传输层与钙钛矿埋底界面处严重的非辐射复合。大平台钙钛矿电池PL测试仪通过无接触式测试，监测各个工艺段中的异常，了解单节叠层钙钛矿电池的缺陷分布信息。

传统钝化方法（如使用长链有机胺）往往在抑制复合的同时，阻碍了载流子的有效传输，导致填充因子和短路电流密度下降，陷入“钝化”与“传输”难以两全的困境。本研究创新性地提出了偶极钝化策略，成功在抑制界面复合和促进载流子提取之间取得了最佳平衡，最终实现了效率与稳定性的显著提升。

偶极钝化策略的核心设计

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采用偶极钝化的铅锡窄带隙钙钛矿太阳能电池的电池结构与能级图

本研究提出偶极钝化策略，通过引入磺胺酸（SA）作为偶极钝化分子（偶极矩 23.58 D），同时解决界面缺陷和能级对齐问题，具体机制如下：

分子取向与界面作用：SA 分子的氨基（-NH₃⁺）可锚定在 Pb-Sn 钙钛矿表面，降低掩埋界面缺陷密度；磺酸基（-SO₃⁻）则吸附在 HTL（PEDOT:PSS）表面，形成稳定的 “正偶极朝向钙钛矿” 的取向，构建欧姆接触；

能级调控与载流子输运：该取向实现 HTL / 钙钛矿界面的 II 型能级对齐，产生从钙钛矿指向 PEDOT:PSS 的电场 —— 既促进空穴高效注入 HTL，又排斥电子远离界面，双重抑制非辐射复合，同时避免载流子传输损失，解决 “复合抑制与传输增强” 的权衡问题。

从界面到载流子的性能提升

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铅锡钙钛矿 / 空穴传输层界面处的载流子动力学

通过一系列严谨的表征，偶极钝化的有效性得到了验证：

界面表征：ToF-SIMS和XPS证实SA分子精准富集在埋底界面。

能带调控：KPFM和UPS测量直接观测到界面电势与功函数的变化，证实了理论预测的能带弯曲与Type-II能级对齐。

载流子动力学提升：

稳态/瞬态PL显示非辐射复合被显著抑制。

太赫兹光谱（OPTP）测得载流子迁移率大幅提升，扩散长度达到6.2 μm（对照组为4.8 μm），这意味着光生载流子被电极收集的几率大大增加。

Pb-Sn窄带隙钙钛矿电池性能

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采用偶极钝化的铅锡窄带隙钙钛矿太阳能电池的光伏性能

平均性能：处理组平均 PCE 从对照组的 22.6±0.2% 提升至 23.9±0.3%，Voc 平均提升 23 mV，FF 平均提升 0.6%；暗饱和电流密度降低，理想因子减小，表明非辐射复合受抑，并联电阻（Rsh）增大；

最优电池性能：在 208 个电池的统计中，最优处理组电池反向扫描 PCE 达 24.9%（稳定 PCE 24.7%），具体参数为：Voc=0.911 V、Jsc=33.1 mA cm⁻²、FF=82.6%；外量子效率（EQE）积分电流为 32.7 mA cm⁻²，与 J-V 测试结果高度一致；

稳定性：无封装电池在 N₂手套箱暗态存放 1000 h 后，PCE 无显著衰减，证明钝化层可维持界面稳定性。

全钙钛矿叠层太阳能电池性能

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采用偶极钝化的全钙钛矿叠层太阳能电池的光伏性能

将经过优化的窄带隙子电池与高效的宽带隙子电池结合，制备出全钙钛矿叠层电池。

解决互连层损耗：在叠层电池中，互连层的制备工艺（如低温退火）会劣化PEDOT:PSS性能。而偶极钝化层有效缓解了这种劣化带来的接触损失，使窄带隙子电池在叠层结构中仍能保持高性能。

创纪录效率：基于此策略的叠层电池实现了30.6%的实验室效率，并经由日本JET实验室认证，获得了30.1%的稳态认证效率（0.049 cm²）。更重要的是，该技术展现出良好的放大潜力，1.05 cm²的大面积电池也获得了29.6%的认证效率。

稳定性的同步增强

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偶极钝化策略不仅提升了效率，也改善了电池的稳定性。

操作稳定性：封装后的叠层电池在连续最大功率点跟踪1025小时后，仍能保持87%的初始效率，远超未处理的对照组。

热稳定性：SA分子的两性特性有助于中和PEDOT:PSS的酸性，从而减缓了在热应力下的降解速度，提升了电池的热稳定性。

本研究通过引入磺胺酸作为偶极钝化分子，成功解决了钙钛矿电池埋底界面处“钝化”与“传输”相互制约的长期难题。该策略通过定向偶极矩同步实现了界面缺陷钝化与能级对齐优化，如同一把“双刃剑”，同时斩断了非辐射复合和传输损耗的枷锁。

这项研究不仅推动了单结与叠层钙钛矿电池的效率达到新的高度，为其商业化进程注入了强劲动力，更提供了一种普适性的界面调控思路，对整个光电电池领域具有重要的启发意义。未来的工作可聚焦于开发更多样化的偶极分子库，并进一步与其它稳定性策略相结合，以期实现效率与长期稳定性的同步突破。

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪

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大平台钙钛矿电池PL测试仪通过非接触、高精度、实时反馈等特性，系统性解决了太阳能电池生产中的速度、良率、成本、工艺优化与稳定性等核心痛点，并且结合AI深度学习，实现全自动缺陷识别与工艺反馈。

PL高精度成像：采用线扫激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 颜色灰度：同时清晰呈现高亮区域（如无缺陷区）与低亮区域（如缺陷暗斑）

高速在线PL检测缺陷：检测速度 ≤ 2s，漏检率 < 0.1%；误判率 < 0.3%

AI缺陷识别分类训练：实现全自动缺陷识别与工艺反馈

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪采用无接触式测试方式，可实时监测钙钛矿电池各工艺段中的薄膜质量异常，精准定位单结及叠层电池中的缺陷分布。

 

 

原文参考：All-perovskite tandem solar cells with dipolar passivation

 

 

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