实现效率33.1%的全纹理钙钛矿/硅叠层电池：两步混合蒸发法结合PDAI界面层诱导体相电子积累

 

钙钛矿 / 硅叠层电池是光伏领域的重要方向，但现有高性能叠层电池多以 “溶液法” 制备钙钛矿，需定制硅底电池（如抛光、适配金字塔尺寸），与工业主流 > 1μm 随机金字塔纹理硅不兼容；全纹理钙钛矿/硅叠层电池虽低成本且光管理优，却受困于钙钛矿 / C₆₀界面钝化难题。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。

本研究用兼容工业纹理硅的混合两步钙钛矿沉积法，引入 PDAI 处理钙钛矿表面，解决全纹理电池关键瓶颈（金字塔高度>1μm）-制备出认证效率 33.1%（VOC=2.01 V）、户外稳定性优异的高性能全纹理钙钛矿 / 硅叠层太阳能电池。

核心机制：从界面到体相的电子积累

 Millennial Solar 

 

 

基于模拟的策略以克服钙钛矿载流子传输层界面的非辐射复合与传输损失

基于实验验证的钙钛矿 / 硅叠层电池模型，通过光电电池模拟明确了钙钛矿 / C₆₀界面的优化方向，界面性能主要由两个参数决定（化学钝化质量、能带排列特性）。通过引入具有高偶极矩的PDAI分子对钙钛矿表面进行处理，我们成功实施了功函数工程：

减少界面复合：PDAI与钙钛矿表面（本研究采用混合两步法，形成富有机物的表面终止）相互作用，形成正偶极（负极朝向C₆₀，正极朝向钙钛矿）。这有效降低了ΔEC,ETL（从180 meV降至70 meV），使电子在界面处大量积累，显著抑制了界面复合，从而提升了VOC。

提升体相电导率：由于钙钛矿材料本征的特性，这种界面处的电子积累效应延伸至整个钙钛矿吸收层，使得体内的电子浓度提升了近40倍。根据公式 σ = q * n * μ，电导率（σ）随之大幅提高，从而显著降低了串联电阻和传输损失，成为FF提升的主要驱动力。

数据分析表明在1-sun 光照下 OC 和最大功率点（MPP）条件下，目标电池的高 n/p 比仍能维持；钙钛矿 iVOC 从 1.12 V 升至 1.20 V（S₀,ETL 均为 7×10⁴ cm/s），叠层电池外电路 VOC 从 1.84 V 升至 1.92 V；全钙钛矿体相平均电子浓度从 1×10¹⁴ cm⁻³（参考）升至 4×10¹⁵ cm⁻³（目标），显著提升电子向 ETL 的传输效率。

PDAI 与钙钛矿表面的相互作用

 Millennial Solar 

 

 

能量学与表面化学特性

通过湿化学旋涂法（可扩展为浸涂）在钙钛矿 / C₆₀界面引入 PDAI；XPS证实了PDAI分子的存在、UPS表明 PDAI 诱导形成了表面偶极子及DFT计算证实PDAI 与富有机表面作用形成正偶极子。这一差异表明，钙钛矿表面终止特性与分子 - 表面相互作用，是决定偶极子取向的关键因素，对钝化分子的作用效果至关重要。

表面钝化效果与导电性提升

 Millennial Solar 

 

 

钝化效果与导电性影响

为验证 PDAI 对钙钛矿的表面钝化效果及导电性提升作用，研究通过多类精准表征手段得出核心结论：

高光谱光致发光（PL）成像：显示无 C₆₀时参考钙钛矿内建开路电压平均 1.23 V、标准差 38 mV，PDAI 处理后 iVOC 升至 1.25 V（提升 20 mV）、标准差降至 26 mV，体现轻微化学钝化作用，且沉积 C₆₀后 PDAI 钝化堆叠 iV_OC 仍维持 1.23 V（参考样降至 1.15 V），AM-KPFM）进一步证实接触电位分布更均匀；

TRPL/TA光谱：显示PDAI处理有效抑制了界面复合和浅陷阱态，延长了载流子寿命。

Suns-VOC & Suns-PL成像：关键性地证明了FF的提升主要源于传输损失的降低（pFF-FF差值从6%降至3%），而非选择性或复合的改善（iFF和iVOC-VOC差值变化很小）。

THz/SCLC测量：排除了迁移率（μ）变化的主导作用，确认电子浓度（n）的增加是电导率提升的根本原因。

电池性能与稳定性

 Millennial Solar 

 

 

钙钛矿 / 硅叠层太阳能电池的性能与稳定性

将PDAI策略应用于全织构叠层电池后：

效率：最佳效率从29.1%提升至32.3%，最终通过调整钙钛矿带隙优化电流匹配，效率达到33.1%（VOC=2.01 V）。

重现性：该策略在多个国际实验室（KAUST, Fraunhofer ISE）均展现出优异的重复性。

稳定性：在红海沿岸的户外测试中，PDAI电池显示了极其稳定的电流输出，而参比电池的电流则持续衰减。BACE测量表明，PDAI处理将可移动离子浓度降低了约三分之二，有效抑制了离子迁移，这是稳定性增强的关键原因。湿热稳定性测试（85°C/85% RH, 1000h）同样证实了其增强的稳定性。

本研究阐明了一种先前被忽视的机制：界面处的场效应钝化能够深度调制钙钛矿体相的电子传输特性。PDAI处理通过同时减少界面复合和体相传输损失，一举攻克了全织构叠层电池在VOC和FF方面的核心难题，使其性能与更复杂的平面结构相当。更重要的是，该方法与工业化织构硅片完全兼容，为钙钛矿/硅叠层电池的商业化量产铺平了道路。未来的工作可进一步聚焦于优化混合法制备的钙钛矿体相质量，以期实现更高的性能突破。

钙钛矿复合式MPPT测试仪

 Millennial Solar 

 

 

 

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，叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响，其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点，能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量，还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。

原文参考：Electron accumulation across the perovskite layer enhances tandem solar cells with textured silicon

*特别声明：「美能光伏」公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递光伏行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，若有侵权，请及时联系我司进行删除。