全鈣鈦礦疊層太陽能電池由寬帶隙（富Br）和窄帶隙（富Sn）子電池串聯(lián)而成，理論上能突破單結(jié)效率極限。然而，兩種子電池的多組分特性導(dǎo)致嚴(yán)重的異步結(jié)晶：在寬帶隙鈣鈦礦中，Pb2?與Br?的優(yōu)先配位使富Br區(qū)域先成核，形成頂部富Br、底部富I的垂直梯度；在窄帶隙鈣鈦礦中，Pb基與Sn基物種的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)不匹配，造成表面富Sn、體相富Pb的偏析。這種成分不均勻性加劇了非輻射復(fù)合，降低開路電壓和填充因子，且在柔性器件中尤為突出。以往研究多通過調(diào)節(jié)溶劑或界面層進(jìn)行局部緩解，但缺乏從結(jié)晶動(dòng)力學(xué)根源上解決問題的通用策略。美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用AAA級(jí)LED太陽光模擬器作為老化光源，可通過多種方式對(duì)電池進(jìn)行控溫并控制電池所處的環(huán)境氛圍，進(jìn)行長期的穩(wěn)定性能測試。

本文基于軟硬酸堿（HSAB）理論提出一種可推廣的添加劑設(shè)計(jì)方法：針對(duì)Pb2?（邊界酸）選用邊界堿DFOB，針對(duì)Sn2?（硬酸）選用硬堿BF??，分別同步寬/窄帶隙鈣鈦礦中的鹵化物和陽離子結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，從而抑制垂直成分梯度，提升器件性能與穩(wěn)定性。

HSAB指導(dǎo)的添加劑設(shè)計(jì)策略

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本研究基于軟硬酸堿（HSAB）理論提出一種通用添加劑設(shè)計(jì)思路。HSAB理論將酸/堿分為硬、邊界、軟三類，其中“硬親硬，軟親軟”的匹配原則有助于選擇最合適的配位劑。

對(duì)于WBG鈣鈦礦（主要含Pb2?，屬于邊界酸），選用邊界堿二氟草酸硼酸根（DFOB?）作為添加劑。

對(duì)于NBG鈣鈦礦（主要含Sn2?，屬于硬酸），選用硬堿四氟硼酸根（BF??）作為添加劑。

理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)共同驗(yàn)證了這一選擇的有效性。

強(qiáng)配位作用與結(jié)晶動(dòng)力學(xué)平衡

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（a–c）添加劑 BF?? (a)、DFOB? (b) 和 BOB? (c) 的分子構(gòu)型、化學(xué)硬度以及與 PbBr? 分子之間的相互作用距離（d）相應(yīng)鈣鈦礦薄膜中 Pb 4f 的 XPS 譜圖（e）PbXX' 分子（X/X' = I 或 Br）與添加劑之間的相互作用能（f）相應(yīng)添加劑–PbXX' 加合物的形成能（X/X' = I 或 Br）（g）BOB?、BOB? + PbI? 以及 BOB? + PbBr? 的拉曼光譜

X射線光電子能譜（XPS）和密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，DFOB與Pb2?的配位距離最短、相互作用最強(qiáng)，其化學(xué)硬度（11.0 eV）介于硬堿BF??（21.4 eV）和軟堿BOB（9.8 eV）之間，與Pb2?的匹配最優(yōu)。

關(guān)鍵結(jié)果：

DFOB使PbI?、PbIBr和PbBr?的相互作用能趨于收斂，顯著減小了Br/I結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的差異。

對(duì)照體系中，APbBr?的總生長勢壘比APbI?高0.23 eV；加入DFOB后，這一差值縮小至0.05 eV，表明Br/I生長速率更加接近。

動(dòng)態(tài)光散射顯示，DFOB促進(jìn)了更大尺寸前驅(qū)體膠體的形成，證明其穩(wěn)定了加合物，有利于均勻成核。

原位觀測證實(shí)均勻成核與直接生長

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（a）對(duì)照與 DFOB? 修飾薄膜在旋涂過程中的原位 PL 光譜演變（b）對(duì)應(yīng)于 (a) 中富 Br（~665 nm）和富 I（~730 nm）發(fā)射的 PL 強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線（c）對(duì)照與 DFOB? 修飾薄膜在退火過程中的原位 GIWAXS 譜圖（d）對(duì)照薄膜的結(jié)晶過程示意圖：初始階段（Br 富集于表面，I 富集體相）、中間階段（鹵化物遷移）、最終階段（垂直梯度與應(yīng)力）（e）DFOB? 修飾薄膜的結(jié)晶過程示意圖：初始階段（均質(zhì)成核）、直接生長、最終階段（均勻成分，低缺陷，低應(yīng)力）（f）對(duì)照與 DFOB? 修飾 WBG 鈣鈦礦薄膜頂部和底部表面的 EDS 導(dǎo)出 I/Br 原子比（g-h）對(duì)照 (g) 和 DFOB? 處理 (h) 鈣鈦礦薄膜在不同入射角下的 GIWAXS (100) 線切割圖（i）由不同入射角 GIWAXS 得出的 (100) 衍射峰隨穿透深度的變化

利用原位光致發(fā)光（PL）和原位掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）實(shí)時(shí)監(jiān)測旋涂和退火過程：

對(duì)照薄膜：反溶劑滴加后立即出現(xiàn)富Br和富I兩個(gè)PL峰，隨后富I峰緩慢追趕，表明富Br先成核、富I后成核。退火過程中，(100)衍射峰隨溫度升高向高q方向移動(dòng)，說明Br逐漸摻入富I區(qū)域，存在鹵化物再分布過程。

DFOB修飾薄膜：反溶劑后僅出現(xiàn)單一PL峰，說明成核階段即形成均質(zhì)核。退火過程中(100)峰位置穩(wěn)定不變，無鹵化物再分布，直接生長為成分均勻的鈣鈦礦晶格。

抑制缺陷、離子遷移與相分離

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（a）不同鈣鈦礦薄膜中 VI、VPb、Ii和 Pbi的理論形成能（b）陷阱態(tài)密度（tDOS）（c）逃逸頻率的阿倫尼烏斯圖，對(duì)照 (d) 和 DFOB? 修飾 (e) 鈣鈦礦薄膜在 1 個(gè)太陽光照下暴露 60 分鐘過程中的 PL 光譜（f）通過 KPFM 獲得的對(duì)照和 DFOB? 修飾薄膜的接觸電勢差（CPD）直方圖（g）對(duì)照和 DFOB? 修飾薄膜在光照前后的 PL 強(qiáng)度面分布圖（5 μm × 5 μm）（h）對(duì)照和 DFOB? 修飾薄膜在光照前后的 CPD 面分布圖

缺陷形成能計(jì)算顯示，DFOB顯著提高了碘空位、鉛空位、間隙碘和間隙鉛的缺陷形成能，陷阱態(tài)密度測量也證實(shí)DFOB對(duì)深能級(jí)缺陷（0.50–0.60 eV）的抑制效果最佳。

離子遷移活化能從對(duì)照的0.28 eV提升至0.48 eV，表明離子遷移被有效抑制。

光照老化實(shí)驗(yàn)中，對(duì)照薄膜在60分鐘內(nèi)PL峰出現(xiàn)明顯分裂（光致相分離），而DFOB修飾薄膜僅發(fā)生微小紅移。

KPFM顯示，DFOB修飾表面在光照2小時(shí)后接觸電勢差變化很小，表明碘損失和相降解被顯著抑制。

WBG單結(jié)電池性能提升

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（a）冠軍 WBG PSC 的 J–V 曲線（b）45個(gè)獨(dú)立 WBG PSC 器件的光伏參數(shù)統(tǒng)計(jì)（PCE、VOC、FF、JSC）（c）導(dǎo)致 V_OC 低于理論極限的各損失項(xiàng)貢獻(xiàn)（d）鈣鈦礦薄膜的時(shí)間分辨 PL 光譜（e）從有無電子和空穴傳輸層的鈣鈦礦薄膜 PL 光譜中提取的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS）和 VOC 值（f）PSC 的能級(jí)示意圖。PVK：鈣鈦礦。（g）對(duì)照器件與 DFOB? 處理器件在 ISOS L-1 協(xié)議下（25 ± 2°C）連續(xù) MPP 追蹤的歸一化 PCE 演化曲線

在1.77 eV WBG鈣鈦礦太陽能電池中，DFOB將PCE從18.52%提升至20.10%，穩(wěn)定輸出效率19.8%。主要增量來自非輻射復(fù)合損失的大幅降低（從0.267 eV降至0.220 eV），載流子壽命從388 ns延長至615 ns，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂從1.284 eV提高至1.321 eV。能級(jí)分析表明，DFOB將鈣鈦礦導(dǎo)帶底從–3.96 eV移至–4.10 eV，更接近C??的LUMO能級(jí)（–4.40 eV），有利于電子提取。在MPP追蹤1000小時(shí)后，DFOB器件仍保持初始效率的91 %（65 °C下500小時(shí)），而對(duì)照僅剩64 %。

BF?同步NBG鈣鈦礦結(jié)晶

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對(duì)照NBG鈣鈦礦 (a) 和含 BF?? 的 NBG 鈣鈦礦 (b) 在鈣鈦礦形成過程中脫附與相變的能壘(c）相應(yīng) NBG 鈣鈦礦薄膜的表面和底部 SEM 圖像(d)相應(yīng) NBG 鈣鈦礦薄膜頂部和底部表面的 EDS 導(dǎo)出 Pb/Sn 原子比。對(duì)照 (e) 和 BF?? 處理 (f) 鈣鈦礦薄膜在不同入射角下的 GIWAXS (100) 線切割圖(g)由 GIWAXS 得出的 (100) 衍射峰隨穿透深度的變化(h)相應(yīng) NBG 鈣鈦礦薄膜的 KPFM 圖（表面電勢）。(i)由 GIXRD 測得的相應(yīng) NBG 鈣鈦礦薄膜的 2θ–sin2(ψ) 線性擬合（用于應(yīng)力分析）(j)冠軍 NBG PSC 的 J–V 曲線

將HSAB策略推廣至Sn?Pb NBG鈣鈦礦。BF??作為硬堿，與硬酸Sn2?配位最強(qiáng)，有效縮小了Sn基和Pb基物種的生長勢壘差（從1.21 eV降至0.82 eV）。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)：

SEM顯示BF??處理后薄膜頂部和底部晶粒均顯著增大，空隙減少。

EDS和角度依賴GIWAXS表明，BF??使Pb/Sn垂直分布最均勻，頂部?底部差異最小。

KPFM顯示BF??處理表面電勢降低，與表面Sn富集減少一致。

拉伸應(yīng)力從36 MPa降至20 MPa。

在1.25 eV NBG單結(jié)電池中，BF??將PCE從21.6%提升至23.3%，VOC從0.84 V升至0.88 V，F(xiàn)F從77.9%升至79.9%。

MPP追蹤500小時(shí)后，BF??器件保留82%初始效率，對(duì)照僅70%。

剛性及柔性全鈣鈦礦疊層電池

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(a)器件的橫截面 SEM 圖像。(b)無修飾與有修飾（WBG 加 DFOB，NBG 加 BF??）的 AP-TSC 正向掃描 J–V 曲線，插圖為 SPO 曲線。(c)40 個(gè)獨(dú)立器件的 PCE 統(tǒng)計(jì)直方圖。(d)底電池和頂電池的 EQE 光譜。(e）對(duì)照器件與修飾器件在 ISOS L-1 協(xié)議下（25 ± 2°C）的 MPP 追蹤。(f）柔性 AP-TSC 的器件結(jié)構(gòu)示意圖。(g）冠軍柔性 AP-TSC 有無修飾的正向和反向掃描 J–V 曲線，插圖為 SPO 曲線。(h）40 個(gè)柔性 AP-TSC 器件的 PCE 正態(tài)分布箱線圖

將優(yōu)化后的WBG（含DFOB）和NBG（含BF??）子電池單片集成，制備兩端疊層器件。

剛性疊層：

冠軍器件PCE達(dá)到30.3%（認(rèn)證值30.3%），VOC = 2.16 V，JSC = 16.48 mA·cm?2，F(xiàn)F = 85.2 %，遲滯可忽略。

穩(wěn)態(tài)輸出效率29.8 %，優(yōu)于對(duì)照的27.3 %。

MPP追蹤1000小時(shí)后，修飾器件保留92 %初始效率；65 °C下500小時(shí)保留82 %。

柔性疊層（ITO/PEN襯底）：

冠軍器件PCE28.2%（認(rèn)證28.0%），VOC = 2.15 V，JSC = 15.77 mA·cm?2，F(xiàn)F = 83.0%。

40個(gè)器件性能一致性良好。

經(jīng)過10,000次彎曲循環(huán)后，修飾器件保留95.2%初始效率，對(duì)照僅76.2%，顯示出優(yōu)異的機(jī)械魯棒性。

本研究基于軟硬酸堿（HSAB）理論證明，通過合理選擇添加劑——寬帶隙鈣鈦礦中使用邊界堿DFOB、窄帶隙鈣鈦礦中使用硬堿BF??——能夠有效解決多組分鈣鈦礦的異步結(jié)晶動(dòng)力學(xué)失配問題。該策略顯著提升了垂直成分均勻性（Br/I與Sn/Pb分布均一），降低了缺陷密度和殘余應(yīng)變，抑制了離子遷移和光致相分離，從而在剛性全鈣鈦礦疊層太陽能電池中獲得30.3%的認(rèn)證效率，在柔性疊層中獲得28.0%的認(rèn)證效率，并展現(xiàn)出優(yōu)異的運(yùn)行穩(wěn)定性和機(jī)械柔韌性。這項(xiàng)工作不僅刷新了疊層器件的性能記錄，更重要的是揭示了成分復(fù)雜鈣鈦礦中垂直成分異質(zhì)性的共同結(jié)晶動(dòng)力學(xué)根源，并提供了基于化學(xué)原理的通用調(diào)控路徑。未來的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于驗(yàn)證該策略在不同規(guī)?；练e方法、更廣泛的添加劑家族以及大面積疊層模塊中的普適性，從而為其向工業(yè)級(jí)制造轉(zhuǎn)化提供堅(jiān)實(shí)支撐。

鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀

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美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用A+AA+級(jí)LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進(jìn)的技術(shù)和多功能設(shè)計(jì)，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強(qiáng)有力的支持。

• 3A+光源，光源壽命10000h+，真實(shí)還原各場景實(shí)際光照條件

可選配恒溫恒濕箱，滿足IS0S標(biāo)準(zhǔn)

多型號(hào)電子負(fù)載可選，多通道獨(dú)立運(yùn)行

不同波段光譜輸出可調(diào)：350-400nm/400-750nm/750-1150nm均獨(dú)立可控

美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀主要應(yīng)用于成品鈣鈦礦單結(jié)，疊層成品電池穩(wěn)定性測試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環(huán)境因素影響，其最大功率點(diǎn)會(huì)頻繁波動(dòng)。MPPT控制器通過實(shí)時(shí)追蹤并鎖定最大功率點(diǎn)，能確保系統(tǒng)始終以最優(yōu)功率輸出。這不僅能最大化發(fā)電量，還能提升整個(gè)光伏系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。