新型界面工程技术下，实现效率31.71%的2T钙钛矿/硅叠层电池

 

钙钛矿-硅叠层太阳能电池凭借其可调带隙和强光吸收能力，是突破单结电池效率极限的理想候选。然而，顶电池钙钛矿层中因结晶不完全而残留的PbI₂，会引入非辐射复合中心、结构不均和界面失稳，严重制约电池性能。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。

本研究开发了一种基于二甲亚砜与氯苯混合溶剂体系的化学抛光策略，能够选择性溶解并去除表面PbI₂，同时不破坏钙钛矿晶格完整性。该方法显著降低了薄膜的陷阱态密度，促进了晶界融合，增强了光致发光强度，并延长了载流子寿命。最终，所制备的2T钙钛矿-硅叠层电池获得了31.71%的认证效率，开路电压从1.821 V提升至1.839 V，界面复合损失得到显著抑制。本工作为发展高效、稳定的叠层光伏技术提供了一条简单有效的界面工程路径。

实验材料与制备

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材料

实验所用氧化镍（NiOₓ）纳米晶分散液、（4-（3,6 - 二甲基 - 9H - 咔唑 - 9 - 基）丁基）膦酸（Me-4PACz）、甲脒碘（FAI）、碘化铯（CsI）、碘化铅（PbI₂）、溴化铅（PbBr₂）、氧化锡（SnO₂）前驱体、铟锌氧化物（IZO）溅射靶材、氧化铟锡（ITO）导电玻璃等均为分析纯及以上级别，直接使用未进一步纯化。

电池制备

硅底电池：采用 170 μm厚n型硅片，经织构化、RCA 清洗、硼扩散、钝化层沉积、ITO溅射和银浆印刷等步骤制备，定义1.0 cm²活性区域。

钙钛矿顶电池：ITO基板经清洗和氧等离子体处理后，依次制备NiOₓ/Me-4PACz双空穴传输层和AEAPTMS钝化层；将 FAI、CsI、PbBr₂、PbI₂溶解在DMF/DMSO混合溶剂中（添加 3 mol% MACl），旋涂并滴加苯甲醚反溶剂，100℃退火形成钙钛矿层；采用1.6 : 100体积比的DMSO-CB混合溶剂旋涂抛光（3000 rpm，30 秒），100℃退火10分钟（可重复1-2 次）；最后沉积SnO₂缓冲层、IZO透明电极和银顶电极，完成叠层电池制备。

表征测试

采用AAA级太阳能模拟器和Keithley 2450源表测试光伏性能；通过SEM/EDS表征形貌与元素分布；利用XRD和XPS分析晶体结构与化学状态；采用稳态PL、TRPL和PLmapping 测试光学性能；通过EIS和MPP跟踪评估界面特性与稳定性。所有测试均在室温受控环境下进行。

实验结果与讨论

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本研究选用带隙1.68 eV、组成为Cs的宽禁带钙钛矿薄膜（常用作叠层电池顶电池）作为研究对象，系统探究残留 PbI₂的危害及化学抛光的作用机制。

残留 PbI₂的危害与去除机制

(a) PbI₂残留导致孔隙生成、非辐射复合、短路路径及离子迁移的示意图(b)晶界处PbI₂聚集的SEM图像(c) DMSO与CB协同作用下PbI₂去除示意图；PbI₂在旋涂过程中溶解，在热退火过程中溶剂蒸发

研究发现，残留 PbI₂会在钙钛矿薄膜的晶界和表面聚集：一方面形成非辐射复合中心，降低开路电压；另一方面破坏界面连续性，形成短路路径，还会为离子迁移提供通道，加速电池在光热应力下的降解。

扫描电子显微镜（SEM）图像显示，制备态薄膜的晶界处存在大量树枝状 PbI₂聚集物，能量色散 X 射线光谱（EDS）分析证实，这些聚集物主要由Pb和I组成，属于分离的PbI₂相而非钙钛矿相。

为针对性去除这些残留物，本研究设计了 DMSO-CB 双相溶剂体系：DMSO 具有强路易斯碱性，能与 PbI₂中低配位的 Pb²⁺形成可溶性复合物，而钙钛矿体相中的 Pb²⁺因配位紧密，难以被 DMSO 溶解；加入非极性惰性溶剂 CB 后，可稀释体系极性，进一步避免钙钛矿晶格被破坏。通过优化两者体积比，实现了 “只除残留、不损晶格” 的精准抛光效果。

抛光参数优化与薄膜性能改善

(a)初始钙钛矿薄膜的表面SEM图像(b)化学抛光后钙钛矿薄膜的SEM图像(c)化学抛光后钙钛矿薄膜的截面SEM图像及对应的EDS元素分布图(d)化学抛光后钙钛矿薄膜的表面SEM图像及对应的EDS元素分布图(e)化学抛光前后钙钛矿薄膜的XRD谱图(f)化学抛光前后钙钛矿薄膜的XPS全谱(g)钙钛矿薄膜中Pb元素的XPS谱图

实验对比了不同体积比（1.4 : 100、1.6 : 100、1.8 : 100）的 DMSO-CB 混合溶剂抛光效果：1.4 : 100比例下 PbI₂去除不充分，1.8 : 100比例会导致钙钛矿层过度刻蚀，而1.6 : 100比例能在彻底去除 PbI₂的同时，保持薄膜表面完整性和晶粒致密性，因此被确定为最优参数。

结构表征结果显示：抛光前，钙钛矿薄膜表面存在大量树枝状 PbI₂，晶界杂乱；抛光后，PbI₂残留物完全消失，薄膜表面更光滑致密，晶粒尺寸从约560 nm增大至680 nm，晶界密度显著降低。

EDS 元素 mapping 证实，抛光后 Pb、I、Br、Cs 元素分布均匀，无相分离现象。X 射线衍射（XRD）测试显示，抛光后 12.7° 处的 PbI₂特征峰消失，钙钛矿主要衍射峰强度增强，表明结晶度提升且晶格结构未变。X 射线光电子能谱（XPS）测试则显示，表面Pb含量减少，Pb的配位环境发生优化。

光电性能与电池性能提升

(a) 抛光前后稳态光致发光（PL）光谱对比(d)抛光前后时间分辨光致发光（TRPL）衰减曲线(e)未抛光样品的空间PL mapping图像(f)抛光后样品的空间PL mapping图像

光学性能测试表明：抛光后钙钛矿薄膜的稳态光致发光（PL）强度提升1.5倍，且不同区域的PL响应高度一致，说明非辐射复合被抑制，发光均匀性显著改善；

时间分辨光致发光（TRPL）测试显示，载流子寿命从19.67 ns延长至29.97 ns，表明浅陷阱态和深陷阱态均得到有效钝化；

空间 PLmapping 图像也证实，抛光后薄膜的发光暗区减少，均匀性大幅提升。

这些改善直接体现在电池性能上：宽禁带钙钛矿单电池效率从20.60 %提升至21.63 %，开路电压从1.204 V提升至1.218 V。

 

(a) PSTSCs结构示意图及光学照片(b)去除PbI₂残留前后，在标准测试条件下的功率-电压曲线对比(c)去除PbI₂残留后，在标准光照下PSTSCs的电流密度-电压与功率-电压特性曲线(d)空气氛围中，去除PbI₂残留前后PSTSCs的最大功率点追踪曲线(e) PSTSCs的外量子效率谱及各子电池积分电流密度(f) PSTSCs的电化学阻抗谱（EIS）图

对于钙钛矿 - 硅叠层电池，抛光后的性能提升更为显著：标准 AM 1.5G 光照下，短路电流密度从20.51 mA/cm² 提升至21.32 mA/cm²，开路电压从1.821 V提升至1.839 V，填充因子从79.01 %提升至81.95 %，最终认证光电转换效率达31.71 %（初始为29.34 %）。

电池的稳定性也大幅改善：最大功率点（MPP）跟踪测试显示，空气环境中长时间运行后，抛光电池仍保留90.2 %的初始功率，而未抛光电池仅保留85.3 %；

J-V滞后特性测试显示，抛光电池正向与反向扫描效率一致性良好，表明电荷积累和离子迁移被有效抑制。

外量子效率（EQE）光谱证实，顶电池与底电池的积分电流密度匹配良好，电化学阻抗谱（EIS）则显示界面复合电阻增加，载流子损耗减少，进一步验证了界面质量的改善。

本研究明确了残留 PbI₂对宽禁带钙钛矿 - 硅叠层电池性能的限制作用，并提出了针对性的界面工程解决方案。基于DMSO-CB混合溶剂的化学抛光技术，通过 “选择性溶解 - 再结晶” 机制，彻底去除了晶界和表面的 PbI₂残留物，同时提升了钙钛矿薄膜的结晶度、载流子寿命和发光均匀性，且未对晶格造成损伤或引入副产物。最终，叠层电池实现31.71 %的认证效率，且稳定性显著提升。该方法为解决残留 PbI₂难题提供了简便高效的技术路径，也为下一代高性能钙钛矿 - 硅叠层光伏技术的发展奠定了基础。

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：Targeted PbI2 Removal Unlocks 31.71% Efficiency Perovskite-Silicon 2T Tandem Solar Cells

 

 

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