在反式鈣鈦礦太陽能電池中，自組裝分子（SAM）作為空穴選擇層具有成本低、可溶液加工、能級可調(diào)等優(yōu)點，已助力單結(jié)電池效率達(dá)到27.3%，鈣鈦礦/硅疊層電池效率超過34.85%。然而，SAM材料因其兩親性分子結(jié)構(gòu)，在常用溶劑中容易形成膠束，導(dǎo)致薄膜不均勻、堆積無序，進(jìn)而增加界面非輻射復(fù)合，限制效率和穩(wěn)定性的進(jìn)一步提升。美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用AAA級LED太陽光模擬器作為老化光源，可通過多種方式對電池進(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。

本研究人員嘗試了共溶劑、分子摻雜、共SAM等多種策略，但最根本的途徑是通過分子設(shè)計內(nèi)在抑制聚集。關(guān)鍵在于調(diào)控π-π相互作用：過度堆積會導(dǎo)致聚集，適度堆積則有助于形成致密有序的多層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)垂直方向電荷傳輸?；诖?，本文合成了Me-Ph2mPACz，其苯環(huán)連接臂的間位對稱連接兩個二甲基咔唑單元。

分子設(shè)計策略

Millennial Solar

分子設(shè)計

為解決上述問題，研究者設(shè)計了一種新型SAM材料——Me-Ph2mPACz。該分子在苯環(huán)連接臂的間位對稱連接兩個二甲基咔唑單元。與單取代咔唑SAM（Me-PhpPACz）相比，Me-Ph2mPACz展現(xiàn)出以下優(yōu)勢：

更強的吸附能力：DFT計算顯示，Me-Ph2mPACz在NiO?上的吸附能更高（3.41 eV vs. 2.46 eV），有利于形成穩(wěn)定的錨定。

更大的偶極矩：1.27 Debye vs. 1.18 Debye，有助于能級調(diào)控。

更連續(xù)的π-π相互作用：分子結(jié)構(gòu)更平面化，能夠形成貫穿整個二聚體的連續(xù)π-π堆積，同時削弱膦酸錨定基團(tuán)之間的氫鍵作用，從而抑制膠束形成。

自組裝行為與薄膜結(jié)構(gòu)表征

Millennial Solar

動態(tài)光散射（DLS）結(jié)果顯示，Me-PhpPACz溶液中存在數(shù)百納米的寬分布聚集體，而Me-Ph2mPACz的聚集體尺寸小于10 nm，表明其更易于形成均勻薄膜。

X射線衍射（XRD）和掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）進(jìn)一步揭示：

Me-Ph2mPACz薄膜在約8°處出現(xiàn)明顯衍射峰，表明其堆積更為有序。

在面外方向，Me-Ph2mPACz呈現(xiàn)尖銳的π-π堆積衍射點，而Me-PhpPACz則顯示多個彌散弧，說明后者堆積無序。

研究者認(rèn)為，Me-Ph2mPACz形成了由錨定層和上層π-π堆積層組成的多層結(jié)構(gòu)，其中上層對性能起主導(dǎo)作用。

SAM對鈣鈦礦層的影響

Millennial Solar

SAMs 的性質(zhì)及其對鈣鈦礦的影響

Me-Ph2mPACz薄膜具有更高的分子面密度（3.06×1013 cm?2 vs. 2.00×1013 cm?2），表面更均勻（粗糙度更低，電位分布更均一），接觸角更大（88.9° vs. 74.2°），更有利于后續(xù)鈣鈦礦沉積。

在此基礎(chǔ)上生長的鈣鈦礦薄膜表現(xiàn)出：

更平滑的表面和更少的PbI?殘留

更少的垂直晶界

殘余應(yīng)力顯著降低（從壓應(yīng)力-0.17趨近于無應(yīng)力狀態(tài)）

原位光致發(fā)光（PL）監(jiān)測表明，Me-Ph2mPACz促進(jìn)了鈣鈦礦的快速成核并延緩了晶化過程，從而釋放了薄膜內(nèi)部的殘余應(yīng)力。這一機制歸因于其形成的小尺寸、均勻溶液聚集體在沉積后易于解離，形成致密有序的多層結(jié)構(gòu)。

熱穩(wěn)定性與分子耐久性

Millennial Solar

熱重分析顯示，Me-Ph2mPACz的5%熱分解溫度為440 °C，遠(yuǎn)高于Me-PhpPACz的316 °C。在85 °C老化1000小時后，Me-Ph2mPACz薄膜的結(jié)晶信號和形貌幾乎無變化，而Me-PhpPACz薄膜出現(xiàn)明顯脫附和團(tuán)聚。XPS沖洗實驗進(jìn)一步證實，Me-Ph2mPACz具有更強的抗熱和抗溶劑能力。

載流子動力學(xué)與界面特性

Millennial Solar

鈣鈦礦的載流子動力學(xué)

能級分析表明，Me-Ph2mPACz的電離能（5.37 eV）與鈣鈦礦（5.38 eV）高度匹配，減少了空穴傳輸勢壘。真空能級位移從0.01 eV（Me-PhpPACz）提高到0.12 eV（Me-Ph2mPACz），歸因于其面-上堆積形成的垂直偶極。

時間分辨PL（TRPL）顯示，Me-Ph2mPACz的界面電荷提取更快（τ?更短），非輻射復(fù)合被抑制（τ?更長）。飛秒瞬態(tài)吸收（fs-TA）進(jìn)一步驗證了空穴轉(zhuǎn)移的加速。準(zhǔn)費米能級分裂（QFLS）從1.264 eV提升至1.318 eV，電致發(fā)光外量子效率（EQEEL）從0.15%提升至0.82%，相應(yīng)的非輻射VOC損失從168 mV降至124 mV。

器件性能

Millennial Solar

光伏性能與穩(wěn)定性

單結(jié)器件（1.68 eV寬帶隙鈣鈦礦電池）：

Me-Ph2mPACz基冠軍器件PCE達(dá)23.14%，VOC為1.26 V，JSC為21.54 mA cm?2，F(xiàn)F為85.3%，遲滯可忽略；而Me-PhpPACz基冠軍器件PCE為21.82%。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示Me-Ph2mPACz器件在VOC和FF上均有系統(tǒng)提升，理想因子更低（1.49 vs. 1.74），暗電流更小。

鈣鈦礦/硅疊層器件：

將上述頂電池與硅異質(zhì)結(jié)底電池集成，Me-Ph2mPACz基疊層器件的冠軍PCE達(dá)33.40%（反向掃描），穩(wěn)定效率33.17%，經(jīng)NREL認(rèn)證為32.45%。相比之下，Me-PhpPACz疊層器件冠軍PCE為32.35%。

穩(wěn)定性

單結(jié)器件：未封裝條件下，在N?氛圍、25 °C、1-sun LED下MPPT追蹤1000小時后，Me-Ph2mPACz器件保持95%初始效率。

疊層器件：封裝后在85 °C空氣中連續(xù)1-sun光照1000小時，Me-Ph2mPACz器件仍保持83%初始效率，而對照器件僅剩35%。

本研究通過間位雙二甲基咔唑取代策略，設(shè)計了Me-Ph2mPACz自組裝分子。該分子利用增強的π-π相互作用抑制SAM聚集，形成致密、有序且熱穩(wěn)定的多層結(jié)構(gòu)，從而緩解鈣鈦礦殘余應(yīng)力，均勻化表面電位，優(yōu)化能級排列，加速空穴提取并顯著減少非輻射復(fù)合。最終在單結(jié)和疊層器件中均實現(xiàn)了效率和穩(wěn)定性的顯著提升，為高性能自組裝空穴選擇層的分子設(shè)計提供了新范式。

鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀

Millennial Solar

美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用A+AA+級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，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強有力的支持。

• 3A+光源，光源壽命10000h+，真實還原各場景實際光照條件

可選配恒溫恒濕箱，滿足IS0S標(biāo)準(zhǔn)

多型號電子負(fù)載可選，多通道獨立運行

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

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，其最大功率點會頻繁波動。MPPT控制器通過實時追蹤并鎖定最大功率點，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，還能提升整個光伏系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。