混合鹵化物寬禁帶鈣鈦礦（帶隙約1.68 eV）是構(gòu)建高效鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的關(guān)鍵材料。然而，這類鈣鈦礦普遍存在結(jié)晶質(zhì)量差、晶粒取向不利以及光致鹵化物相偏析等問題，導(dǎo)致嚴重的非輻射復(fù)合和器件穩(wěn)定性下降。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行控溫并控制電池所處的環(huán)境氛圍，進行長期的穩(wěn)定性能測試。

本文提出一種多功能分子工程策略：將4-十二烷基苯胺（DA）引入鈣鈦礦前驅(qū)體中。DA分子通過優(yōu)先穩(wěn)定（100）晶面并提供空間位阻引導(dǎo)，顯著促進鈣鈦礦沿（100）方向擇優(yōu)生長，同時其長烷基鏈可增強薄膜的濕穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，該策略有效提高了結(jié)晶質(zhì)量，抑制了相偏析與非輻射復(fù)合。最終，采用DA處理的1.68 eV鈣鈦礦單結(jié)電池實現(xiàn)了23.73 %的功率轉(zhuǎn)換效率，與硅底電池集成的疊層器件效率達32.04 %，且在連續(xù)運行1000小時后仍保持90.6 %的初始效率，為發(fā)展高效穩(wěn)定疊層光伏技術(shù)提供了新思路。

實驗方法和表征

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本研究采用帶隙約1.68 eV的混合鹵化物鈣鈦礦（組分為CS?.??FA?.?MA?.??Pb(I?.??Br?.??)?），將不同濃度（0–1 mg/mL，最佳0.5 mg/mL）的4-十二烷基苯胺（DA）直接摻入前驅(qū)體溶液中，通過旋涂和退火制備鈣鈦礦薄膜。為對比體相調(diào)控與表面鈍化的作用，另將低濃度DA（10 μg/mL）涂覆于對照薄膜表面進行表面處理。

采用多種表征手段分析薄膜和器件性能：GIWAXS、XRD、SEM、AFM、KPFM研究結(jié)晶與形貌；XPS、FTIR、1H NMR研究化學(xué)相互作用；穩(wěn)態(tài)PL、TRPL、PL壽命映射、紫外-可見吸收光譜研究光電性能；J-V曲線、SPO、EQE、MPP追蹤評估光伏性能；并通過暗態(tài)儲存、濕熱測試、熱光浸泡及光強依賴VOC、TPC、TPV、EIS、莫特-肖特基等電學(xué)測試評估穩(wěn)定性和載流子動力學(xué)；同時結(jié)合DFT理論計算分析晶面結(jié)合能與缺陷形成能。

鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶與取向調(diào)控

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(a) 對照和 (b) DA處理鈣鈦礦薄膜的GIWAXS圖譜。(c) 對照和 (d) DA處理鈣鈦礦薄膜的截面SEM圖像。(e) 退火前和 (f) 退火后對照與DA處理鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜。(g) 鈣鈦礦薄膜結(jié)晶與取向調(diào)控的機理示意圖

本研究使用的寬禁帶鈣鈦礦組分為Cs?.??FA?.?MA?.??Pb(I?.??Br?.??)?（帶隙~1.68 eV），將DA直接加入前驅(qū)體。

GIWAXS結(jié)果顯示，對照薄膜優(yōu)先（110）取向，而DA處理后（100）取向占主導(dǎo)，且無低維鈣鈦礦信號。SEM截面圖顯示，對照薄膜為多層晶粒、結(jié)晶質(zhì)量差；DA處理薄膜呈現(xiàn)有序的單層柱狀晶粒，表面更致密光滑，平均晶粒尺寸從465 nm增至557 nm。XRD分析表明，DA在成核和晶體生長階段均促進了（100）取向。AFM和KPFM顯示，DA處理降低了表面粗糙度（均方根粗糙度從19.7 nm降至18.1 nm），表面電勢分布更均勻，表明表面缺陷被抑制。UPS和能級分析表明，DA處理使費米能級向?qū)У咨弦?.61 eV，有利于電子提?。婚L鏈DA層還能阻擋空穴。

DFT計算表明，DA在（100）、（110）、（111）面的結(jié)合能分別為-1.05、-0.87、-0.82 eV，優(yōu)先吸附于（100）面。DA的氨基與欠配位Pb2?相互作用，長烷基鏈提供空間引導(dǎo)，協(xié)同促進（100）取向。該取向薄膜具有更高的缺陷形成能，因而缺陷密度更低。

DA與WBG鈣鈦礦組分的化學(xué)相互作用

(a) DA的化學(xué)結(jié)構(gòu)和ESP分布。(b) Pb 4f、(c) I 3d和 (d) C 1s的XPS譜圖，對照與DA處理鈣鈦礦薄膜。(e) DA、DA/FAI和DA/PbI?的FTIR光譜。(f) DA、FAI和DA/FAI在DMSO?d?中的1H NMR譜圖

XPS顯示，DA處理后Pb 4f和I 3d峰向低結(jié)合能移動，C–C峰增強，證實DA與鈣鈦礦組分相互作用。FTIR和1H NMR證實DA與PbI?、FAI、MABr之間形成配位鍵和氫鍵。

光致相分離的抑制與光致發(fā)光性能

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(a) 對照和 (b) DA處理鈣鈦礦薄膜在532 nm激光（50 mW cm?2）連續(xù)照射90 min過程中，隨時間變化的PL光譜。(c) 對照與DA處理鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)態(tài)PL光譜。(d) 對照與DA處理鈣鈦礦薄膜的TRPL衰減曲線。(e) 對照和 (f) DA處理鈣鈦礦薄膜的PL壽命映射圖像

抑制相偏析：連續(xù)激光照射下，對照薄膜PL峰在90分鐘后紅移約29 nm，表明明顯相偏析；DA處理薄膜PL峰幾乎不變。這是因為DA作為路易斯堿提高了結(jié)晶質(zhì)量，同時位于晶界的DA分子阻擋了離子遷移通道。

光電性能：DA處理薄膜的穩(wěn)態(tài)PL強度顯著高于對照，TRPL平均壽命從610.3 ns延長至2937.35 ns，表明非輻射復(fù)合被抑制。PL壽命映射也顯示更長的壽命和更寬的分布。

單結(jié)器件光伏性能

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寬禁帶PSC的(a)器件結(jié)構(gòu)示意圖和(b)截面SEM圖像?；趯φ蘸虳A處理鈣鈦礦薄膜的(c)器件的FF、VOC、JSC和PCE參數(shù)統(tǒng)計分布圖(d)冠軍效率器件的J?V曲線。(e) DA處理器件的SPO追蹤曲線?；趯φ蘸虳A處理鈣鈦礦薄膜的(f)器件的EQE譜圖和對應(yīng)的積分JSC及(g)未封裝器件在環(huán)境條件下暗態(tài)儲存穩(wěn)定性（ISOS?D?1協(xié)議）。(h)基于對照和DA處理鈣鈦礦薄膜的器件在連續(xù)AM 1.5G光照條件下通過MPP追蹤的長期運行穩(wěn)定性（ISOS?L?1協(xié)議）

器件結(jié)構(gòu)為玻璃/FTO/Me-4PACz/鈣鈦礦/EDAI?/C??/BCP/Ag。DA最佳濃度為0.5 mg/mL。與對照相比，DA器件FF、VOC、JSC均顯著提升，反向掃描PCE達23.73%（VOC=1.249 V，F(xiàn)F=85.16%，JSC=22.32 mA cm?2），遲滯可忽略，SPO穩(wěn)定效率為23.10%。EQE積分電流為22.02 mA cm?2，與J-V吻合。通過對比體相DA處理與表面DA鈍化，證實（100）取向本身優(yōu)于（110）取向。TPC/TPV顯示DA器件電荷提取更快、復(fù)合更慢。光強依賴性VOC、暗態(tài)J-V、SCLC、阻抗譜和莫特-肖特基分析一致表明，DA器件缺陷密度降低、內(nèi)建電勢升高（從0.93 V增至0.98 V），非輻射復(fù)合減少。

器件穩(wěn)定性

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在80% RH下，對照薄膜300小時后變黃分解，DA薄膜保持黑色。水接觸角從57°增至64.2°，表明疏水性增強。未封裝器件在暗態(tài)儲存1500小時后，DA器件效率保持96.4%，對照1000小時后降至74.4%。濕熱測試（85°C/85% RH）500小時后，DA器件保持91.2%，對照僅41.9%。MPP追蹤1000小時，DA器件保持93.1%，對照600小時后降至73.5%。熱光浸泡（85°C/1個太陽）9小時后，DA薄膜形貌和結(jié)晶度退化明顯更輕。

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池

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(a)單片式鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)示意圖。(b)疊層電池前表面和(c)背表面的截面SEM圖像。(d)基于DA處理鈣鈦礦薄膜的冠軍效率疊層器件的J?V曲線。(e)基于DA處理鈣鈦礦薄膜的疊層器件中子電池的EQE譜圖及對應(yīng)的積分JSC。(f) DA處理疊層器件的SPO追蹤曲線。(g) 基于DA處理鈣鈦礦薄膜的疊層器件在連續(xù)AM 1.5G光照條件下通過MPP追蹤的長期運行穩(wěn)定性（ISOS?L?1協(xié)議）

將1.68 eV鈣鈦礦與硅異質(zhì)結(jié)底電池（PCE 23.92%）集成，構(gòu)建單片疊層電池。DA處理疊層器件冠軍效率達32.04%（反向掃描），VOC=1.963 V，F(xiàn)F=81.77%，JSC=19.96 mA cm?2。EQE積分電流分別為鈣鈦礦子電池19.78 mA cm?2、硅子電池19.73 mA cm?2，電流匹配良好。SPO穩(wěn)定效率31.62%。MPP追蹤1000小時，DA疊層器件保持初始效率的90.6%。

本文開發(fā)了一種基于DA分子的多功能工程策略，用于調(diào)控1.68 eV寬禁帶鈣鈦礦的結(jié)晶與取向。DA處理顯著提高了（100）擇優(yōu)取向和結(jié)晶質(zhì)量，降低了缺陷密度，從而抑制了非輻射復(fù)合和光致相偏析。單結(jié)電池實現(xiàn)了23.73%的PCE、1.249 V的VOC和85.16%的FF，穩(wěn)定性大幅提升。將該鈣鈦礦與硅底電池集成后，1 cm2疊層電池的PCE達到32.04%，VOC為1.963 V，并在1000小時連續(xù)運行后保持90.6%的初始效率。

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LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進的技術(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標準

多型號電子負載可選，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)濟性。

原文參考：Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells with Enhanced (100)-Oriented Perovskite Crystallization

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