全鈣鈦礦疊層太陽能電池因具備低成本溶液加工與高光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）潛力而受到廣泛關(guān)注，大面積組件效率已達(dá)24.9%，但運(yùn)行過程中的熱不穩(wěn)定性仍是制約其商業(yè)化的關(guān)鍵問題。這主要源于光生載流子在熱弛豫與非輻射復(fù)合過程中以聲子形式耗散能量并產(chǎn)生熱量。對于窄帶隙Pb-Sn鈣鈦礦體系，傳統(tǒng)高效配方依賴甲基銨（MA），但其揮發(fā)性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性差；盡管FA-Cs體系可提升熱穩(wěn)定性，Cs?卻會(huì)降低成核能壘并導(dǎo)致快速且不均勻結(jié)晶，從而劣化薄膜質(zhì)量。美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱專為驗(yàn)證評估組件或材料的可靠性，能達(dá)到快速升溫降溫，提升測試效率，滿足IEC61215等標(biāo)準(zhǔn)。

本研究引入p-π共軛氯鹽SHCl作為結(jié)晶調(diào)控劑，通過調(diào)節(jié)Cs析出行為與晶體生長動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)均勻成核與受控生長?；谠摬呗?，器件在85°C下700小時(shí)后仍保持85%效率，疊層組件認(rèn)證效率達(dá)24.3%，并在濕熱與熱循環(huán)測試中表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性。

結(jié)晶調(diào)控機(jī)制

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SHCl添加劑與FACs Pb-Sn鈣鈦礦之間的相互作用

鈣鈦礦薄膜的形成通常經(jīng)歷成核與晶粒生長兩個(gè)階段。根據(jù)LaMer模型，高質(zhì)量薄膜的獲得依賴于“快速且均勻成核”與“緩慢晶體生長”之間的動(dòng)力學(xué)匹配。然而，在FA-Cs體系中，Cs?易誘導(dǎo)二次成核，拓寬成核時(shí)間窗口并加速后續(xù)晶體生長，導(dǎo)致晶粒尺寸及空間分布不均。

SHCl的引入顯著調(diào)控了這一過程。首先，SHCl與CsI在溶液中發(fā)生離子交換反應(yīng)生成CsCl沉淀和SHI，從而降低Cs組分的有效溶解度并提高體系過飽和度。過飽和度提升使體系自由能升高，當(dāng)濃度波動(dòng)超過臨界閾值時(shí)，會(huì)觸發(fā)短時(shí)間的“爆發(fā)式成核”，快速釋放自由能，從而抑制Cs誘導(dǎo)的非均勻成核行為。

動(dòng)態(tài)光散射結(jié)果表明，引入SHCl后前驅(qū)體溶液中形成尺寸更小、分布更窄的膠體簇，有利于均勻成核。原位光學(xué)顯微觀察進(jìn)一步證明：未添加SHCl時(shí)體系存在持續(xù)且不均勻的成核過程，而SHCl體系在初始階段即可形成高密度且均勻分布的晶核，并在隨后階段實(shí)現(xiàn)緩慢而均勻的晶體生長，從而顯著提升薄膜均勻性。

分子作用與晶體生長調(diào)控

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FACs Pb-Sn鈣鈦礦的結(jié)晶調(diào)控過程

SHCl分子具有顯著的p-π共軛效應(yīng)，其氮原子的孤對電子與羰基π電子發(fā)生離域，提高分子極性與配位能力。理論計(jì)算表明，SHCl與鈣鈦礦組分之間的結(jié)合能顯著高于其他類似添加劑（如GlyHCl和AAH），并可同時(shí)與A位陽離子（FA?、Cs?）及B位金屬離子（Pb2?、Sn2?）發(fā)生配位作用。

X射線光電子能譜（XPS）結(jié)果顯示，引入SHCl后Pb和Sn的結(jié)合能向低能方向偏移，表明其與晶格之間存在較強(qiáng)相互作用。該相互作用有效延緩晶體生長速率，使晶粒逐步形成并充分重排，從而獲得致密且均勻的鈣鈦礦薄膜。

薄膜形貌與器件性能

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刮刀涂布制備的FACs Pb-Sn鈣鈦礦的光電性能

掃描電子顯微鏡（SEM）表明，SHCl處理后的鈣鈦礦薄膜具有更大的晶粒尺寸和更明顯的垂直取向結(jié)構(gòu)，同時(shí)Cs?在膜厚方向分布更加均勻；相比之下，對照樣品在底部存在孔洞且元素分布不均。

在光電性能方面，SHCl顯著抑制非輻射復(fù)合。其穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光（PL）強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，載流子壽命由346 ns延長至約597 ns。開路電壓損失降低，器件理想因子由1.96降至1.58，表明陷阱輔助復(fù)合得到有效抑制。

最終，優(yōu)化后的單結(jié)器件實(shí)現(xiàn)21.9%的最高效率（Voc = 0.88 V，Jsc = 30.9 mA·cm?2，F(xiàn)F = 80.4 %），顯著優(yōu)于對照器件（19.6%），且器件重復(fù)性良好，平均效率達(dá)到20.7%。

熱穩(wěn)定性提升機(jī)制

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刮刀涂布FACs Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池的性能與熱穩(wěn)定性

熱穩(wěn)定性測試表明，在85°C條件下，SHCl器件在700小時(shí)后仍保持85%的初始效率，而對照器件在400小時(shí)內(nèi)即下降至約70%。XRD與SEM分析表明，對照樣品在熱老化過程中生成PbI?雜相并伴隨明顯形貌退化，而SHCl處理樣品保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

需要指出的是，SHCl并非通過直接提高材料本征熱穩(wěn)定性發(fā)揮作用，而是通過改善薄膜結(jié)晶質(zhì)量與結(jié)構(gòu)均勻性，從而抑制熱誘導(dǎo)相分解與缺陷演化過程。

全鈣鈦礦疊層組件性能

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全鈣鈦礦疊層太陽能組件的光伏性能與穩(wěn)定性

基于SHCl調(diào)控的窄帶隙子電池，與寬帶隙鈣鈦礦子電池構(gòu)建單片集成疊層器件。小面積器件效率達(dá)到27.0%，而20.25 cm2組件實(shí)現(xiàn)24.7%的實(shí)驗(yàn)室效率，并獲得24.3%的認(rèn)證效率，為當(dāng)前無MA全鈣鈦礦疊層組件的最高水平。

外量子效率（EQE）分析表明，器件電流主要受限于窄帶隙子電池，后續(xù)性能提升仍需進(jìn)一步提高其短路電流密度（Jsc）。

穩(wěn)定性與可靠性

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封裝組件在加速老化測試中表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性：

濕熱測試（85°C/85% RH，200小時(shí)）：效率保持90%

熱循環(huán)測試（?40°C至85°C，200次）：效率保持92%

連續(xù)光照MPP跟蹤：550小時(shí)后保持90%，823小時(shí)后仍保持85%

上述結(jié)果表明，該體系在實(shí)現(xiàn)高效率的同時(shí)具備優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。

本研究通過引入SHCl作為結(jié)晶調(diào)控劑，有效抑制了FA-Cs Pb-Sn鈣鈦礦體系中由Cs引起的非均勻結(jié)晶問題，其機(jī)制在于通過提高體系過飽和度誘導(dǎo)爆發(fā)式均勻成核，同時(shí)增強(qiáng)分子配位作用以延緩晶體生長，從而優(yōu)化薄膜形貌與組分分布并降低非輻射復(fù)合損失。基于該調(diào)控策略，器件在實(shí)現(xiàn)高達(dá)24.7%效率的同時(shí)顯著提升了運(yùn)行穩(wěn)定性，為全鈣鈦礦疊層組件的規(guī)模化制備與商業(yè)化應(yīng)用提供了可行路徑。

美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱

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美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱采用進(jìn)口溫度控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)多段溫度編程，具有高精確度和良好的可靠性，滿足不同氣候條件下的測試需求。

溫度范圍：20℃~+130℃

溫濕度范圍：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：IEC61215、IEC61730、UL1703等檢測標(biāo)準(zhǔn)

美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱通過精確控制紫外輻照劑量與85°C/85%RH的濕熱環(huán)境，為鈣鈦礦光伏組件的可靠性評估提供了關(guān)鍵測試條件，為其商業(yè)化應(yīng)用提供了扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

原文參考：Crystallization modulation of methylammonium-free narrow-bandgap perovskite for thermal-stable all-perovskite tandem solar modules