效率超30%的三结叠层太阳能电池：基于卤化物混合制动策略赋能1.95eV宽带隙钙钛矿

宽带隙钙钛矿因混合卤化物组分具备1.5-2.3 eV可调带隙，广泛应用于叠层太阳能电池，但带隙提升至1.95 eV所需的高溴含量会导致卤化物分布不均、相分离加剧及载流子复合增强，引发显著开路电压损失。单结钙钛矿电池受肖克利-奎瑟极限限制，叠层电池成为效率突破关键，而三结电池因宽带隙顶电池性能短板，实际效率落后于双结电池，现有策略仍难解决高溴钙钛矿的核心缺陷。美能大平台钙钛矿电池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。

 

本研究提出卤化物混合制动策略，引入氰酸钾（KOCN）作为 “制动器”，减缓退火过程中卤化物交换速率，促进其均匀分布并降低缺陷密度，最终使1.95 eV单结电池效率达15.93 %，三结全钙钛矿叠层电池效率超30 %，为高效宽带隙及多结叠层电池发展提供有效方案。

 

实验设计与核心机制

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本研究制备了两组钙钛矿太阳能电池：对照组采用 FA₀.₈₅Cs₀.₁₅PbI₁.₁Br₁.₉（FA = 甲脒鎓）钙钛矿材料，目标组则通过卤化物混合制动策略处理，在前驱体溶液中添加 KOCN。选择 OCN⁻离子的核心原因是其离子半径与 Br⁻相近，相比硫氰酸根（ SCN⁻ ）等常用离子，更能适配卤化物混合体系，发挥调控作用。

 

研究团队提出的核心机制假设为：KOCN的引入会减缓卤化物迁移速率，使晶粒生长更可控，进而实现卤化物均匀分布；同时减少薄膜缺陷态，抑制非辐射复合，最终提升电池性能。为验证这一假设，研究开展了一系列系统表征，从结晶动力学、薄膜微观结构、载流子动力学到电池电学性能，全面探究KOCN的作用效果。

关键实验结果

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薄膜特性优化

(a) KOCN在薄膜形成过程中作用的示意图。(b)对照组和(c)目标组在退火过程中薄膜的原位紫外-可见吸收光谱。(d)吸收边处原位紫外-可见吸收强度随时间的变化曲线。(e)对照组和(f)目标组钙在钛矿薄膜（100）衍射峰随不同退火时间的演变

结晶动力学与卤化物分布：通过原位紫外-可见吸收光谱观察发现，目标组薄膜的卤化物混合速率显著慢于对照组，最终吸收光谱中延迟的吸收边证实KOCN有效抑制了卤化物迁移和交换。这一现象源于OCN⁻与FAI的相互作用，减缓了FAI插入[PbX₆]⁴⁻八面体的过程，红外光谱中OCN⁻伸缩振动峰的位移也印证了这一相互作用。能量色散光谱（EDS） mappings显示，目标组薄膜中溴和碘的分布更均匀；X 射线衍射（XRD）分析表明，目标组薄膜的（100）择优取向增强，有利于载流子传输并降低陷阱态密度。

薄膜的顶视SEM图像：(a)对照组，(b)目标组。薄膜的AFM图像：(c)对照组，(d)目标组。薄膜的KPFM图像：(e)对照组，(f)目标组

微观形貌与表面特性：扫描电子显微镜（SEM）观察显示，对照组薄膜晶粒尺寸较小（<200 nm），晶界密度高；而目标组薄膜晶粒尺寸显著增大，平均增幅约 100 nm，且截面形貌更优，减少了缺陷并利于载流子传输。原子力显微镜（AFM）测量表明，目标组薄膜的均方根（RMS）表面粗糙度从对照组的11.8 nm降至10.6 nm，改善了钙钛矿与传输层的界面接触。开尔文探针力显微镜（KPFM）显示，目标组薄膜接触电势更均匀，表明卤化物分布和薄膜质量得到显著提升。

(a)对照组和目标组钙钛矿薄膜的PL光谱；(b)对照组和目标组钙钛矿薄膜的TRPL光谱；(c)对照组和(d)目标组：薄膜的光致发光成像图

载流子动力学：稳态光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）测量显示，目标组薄膜的PL强度明显高于对照组，且载流子寿命更长，说明KOCN处理有效减少了非辐射复合。模拟1太阳光照下的PL光谱显示，对照组发生明显相分离，而目标组仅出现轻微分离；PL mapping图像进一步证实，目标组薄膜在更大区域内具有更均匀的高 PL 强度，表明薄膜质量和载流子传输特性得到全面优化。

电池性能突破

(a)单结1.95 eV带隙PSCs的电池结构；(b)对照组和目标组薄膜的UPS；(c) 电池中各层的能级排列图；(d)J-V曲线；(e) EQE光谱；(f)对照组和目标组电池的稳态功率输出；(g)奈奎斯特图；(h)光强依赖的J-V 曲线；(i)对照组和目标组电池的莫特 - 肖特基图

单结电池性能：单结宽带隙钙钛矿太阳能电池采用 ITO/NiOₓ/SAM/PVK/C₆₀/BCP/Cu 结构。紫外光电子能谱（UPS）测量显示，KOCN的掺入优化了薄膜能级排列，利于载流子传输。瞬态光电流（TPC）测量表明，目标组电池的载流子提取和传输速率更快。陷阱填充极限电压（VTFL）测试显示，目标组薄膜的缺陷态密度（ntrap）从对照组的 1.96×10¹⁶ cm⁻³ 降至 0.69×10¹⁶ cm⁻³。最终，目标组电池的开路电压从对照组的1.35 V提升至1.40 V，填充因子从0.79提高至0.83，光电转换效率从14.41 %提升至15.93 %，处于目前≥1.95 eV PSCs的领先水平。

稳定性提升：在氮气手套箱中进行的连续最大功率点（MPP）跟踪稳定性测试表明，目标组电池在 300 h 后仍保持约 85% 的初始效率，而对照组保留率低于 60%。这一提升得益于目标组薄膜质量的改善、缺陷密度的降低和卤化物的均匀分布，有效抑制了相分离和离子迁移。

(a)TSCs的电池结构；(b)WBG、MBG和NBG钙钛矿太阳能电池的J-V 曲线；(c)EQE光谱；(d)稳态功率输出

滤光前与滤光后的WBG、MBG和NBG钙钛矿太阳能电池的光伏参数

三结叠层电池性能：基于单结电池的优异表现，研究团队制备了机械堆叠三结全钙钛矿叠层太阳能电池，采用半透明宽带隙（WBG）PSCs 作为顶电池、中带隙（MBG）PSCs 作为中间电池、窄带隙（NBG）PSCs 作为底电池。为减少电极制备对钙钛矿层的损伤，半透明 WBG PSCs 中采用原子层沉积（ALD）制备的 SnO₂替代 BCP，其光电转换效率达到14.4%，稳定效率为14.20%。经过半透明顶电池过滤后，中带隙中间电池和窄带隙底电池分别实现 8.23%和7.42%的效率。最终，多端全钙钛矿叠层电池实现了30.04%的高效，稳定功率输出维持在29.07%，展现出巨大的应用潜力。

本研究通过引入KOCN作为晶体生长调节剂，提出了创新的卤化物混合制动策略，成功制备出溴含量超过60 %的高质量钙钛矿薄膜。该策略不仅提升了钙钛矿薄膜的结晶度、降低了缺陷密度，还通过延长结晶过程中卤化物的迁移与交换时间，实现了卤化物均匀分布。这些优化有效减少了电压损失，抑制了非辐射复合，显著提升了电池性能：单结 1.95 eV 带隙PSCs实现15.93 %的效率和1.40 V的开路电压，机械堆叠三结全钙钛矿叠层电池效率突破30 %，达到目前该领域的领先水平。

该研究为改善高溴含量宽带隙 PSCs 的晶体质量和减少电压损失提供了有效途径，将有力推动多结全钙钛矿叠层电池向更高效率、更高稳定性方向发展，为光伏技术的产业化应用注入新动力。

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪

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原文参考：Halide-mixing braking strategy for 1.95 eV wide-bandgap perovskites enabling high-efficiency triple-junction tandems

 

 

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公司研发出美能在线四探针，在线poly膜厚检测仪，网版测试仪、微晶晶化率测试仪、量子效率测试仪、椭偏仪、美能二次元测试仪、美能3D显微镜、美能TLM等一系列先进光伏电池片检测设备。同时针对光伏组件 IEC61215、IEC61730测试标准以及BIPV光伏建筑一体化提供专业的光伏组件综合测试解决方案。