攻克鈍化串?dāng)_難題，實(shí)現(xiàn)高效疊層電池

寬能隙鈣鈦礦在疊層太陽能電池中面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：現(xiàn)有雙陽離子鈍化策略存在陽離子競爭和表面偶極紊亂問題，導(dǎo)致界面缺陷和能級失配。北京理工大學(xué)李紅博教授、魏靜教授、陳怡華教授團(tuán)隊(duì)在《Angewandte Chemie International Edition》發(fā)表突破性研究，開發(fā)自洽性陽陰離子整合鈍化（SCAP）策略，設(shè)計(jì)多功能鈍化劑1,3-丙二胺雙 PDA(TFA?)。該技術(shù)將缺陷鈍化和場效應(yīng)鈍化整合到統(tǒng)一框架，有效消除鈍化串?dāng)_。最終實(shí)現(xiàn)寬能隙鈣鈦礦太陽能電池（1.68 eV）23.23% PCE和1.27 V開路電壓，集成為單片疊層電池后在0.945 cm2面積上取得32.33% PCE效率和31.47%認(rèn)證效率，開路電壓達(dá)1.992 V。

Fig. 4G 顯示了鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的穩(wěn)定功率輸出

QFLS量化SCAP策略載流子動(dòng)力學(xué)優(yōu)化

準(zhǔn)費(fèi)米能級分裂（QFLS）分析和光致發(fā)光光譜成為評估SCAP策略抑制非輻射復(fù)合效果的關(guān)鍵技術(shù)。通過測量QFLS增強(qiáng)，研究人員量化了不同鈍化方法在抑制電壓損失和非輻射復(fù)合方面的表現(xiàn)。

研究顯示，PVK-SCAP薄膜達(dá)到3.74% PLQY，相較控制組的1.69%和PVK-Hybrid的2.52%有明顯提升。對應(yīng)的QFLS分析顯示PVK-SCAP系統(tǒng)獲得20 meV顯著能量增益，PVK-Hybrid系統(tǒng)為10 meV，證明SCAP策略增強(qiáng)了載流子分離并減少界面復(fù)合。

Fig. 3d 顯示了沉積在玻璃上的三種不同 WBG 薄膜的 PLQY 光譜分析以及 QFLS 增強(qiáng)的結(jié)果

Fig. 3f 顯示了 PVK-Control、PVK-Hybrid 和 PVK-SCAP 薄膜的穩(wěn)態(tài) PL 光譜，用于確認(rèn)鈍化效果

時(shí)間分辨PL（TRPL）結(jié)果顯示，PVK-SCAP薄膜平均載流子壽命延長至386 ns，優(yōu)于PVK-Hybrid的270 ns和PVK-Control的180 ns，再次證實(shí)非輻射復(fù)合受到抑制。這些數(shù)據(jù)表明SCAP策略有效減小了WBG PSCs的QFLS與VOC之間的失配。

Fig. 3g 顯示了 PVK-Control、PVK-Hybrid 和 PVK-SCAP 薄膜的時(shí)間分辨 PL（TRPL）光譜，用于驗(yàn)證非輻射復(fù)合的抑制

團(tuán)隊(duì)通過精確的 PLQY 光譜和準(zhǔn)費(fèi)米能級分裂（QFLS）測量，成功驗(yàn)證了 SCAP 策略對非輻射復(fù)合的抑制，并量化了 20 meV 的 QFLS 增益。Enlitech QFLS-Maper 系統(tǒng)搭載了 QFLS Mapping、PLQY、iVOC 預(yù)測及 Pseudo J-V 等多模塊功能。研究人員能藉此設(shè)備在數(shù)秒內(nèi)獲得 QFLS 可視化分布，并精確量化材料的開路電壓潛力（Voc potential），可重現(xiàn)論文中的薄膜光物理表征，以準(zhǔn)確評估材料的效率極限。

SCAP策略：消除鈍化串?dāng)_的協(xié)同機(jī)制

SCAP策略的突破在于引入雙極性陰離子TFA?作為缺陷鈍化劑，并與PDA2?陽離子整合。TFA?的雙極性特性使其能夠同時(shí)鈍化Pb2?和NH??離子相關(guān)缺陷，成為取代PEAI的理想表面修飾配體，有效避免傳統(tǒng)混合鈍化中的陽離子競爭問題。

能級優(yōu)化與協(xié)同效應(yīng)：紫外光電子能譜（UPS）分析顯示，PVK-SCAP薄膜獨(dú)特地結(jié)合了合適的電離能（IE = -5.79 eV）與較低的導(dǎo)帶偏移量（CBO = 0.23 eV），實(shí)現(xiàn)材料穩(wěn)定性與能級對準(zhǔn)的同步優(yōu)化。X射線光電子能譜（XPS）結(jié)果證實(shí)PDA2?和TFA?之間的協(xié)同效應(yīng)：TFA?不僅與鈣鈦礦中NH??形成氫鍵，還與C??界面形成C-F···π相互作用。

載流子傳輸優(yōu)化：電化學(xué)阻抗光譜（EIS）分析顯示，PSC-SCAP在所有組別中展現(xiàn)出復(fù)合電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻，協(xié)同效應(yīng)有效抑制陷阱輔助復(fù)合（斜率值為1.46 kT/q，優(yōu)于控制組的1.86 kT/q），從根本上提升載流子收集效率和電壓輸出。

J-V曲線驗(yàn)證：單結(jié)與疊層性能全面突破

J-V曲線測量全面驗(yàn)證SCAP策略優(yōu)異效果。反式WBG（1.68 eV）PSCs在PDA(TFA)?界面修飾下，PSC-SCAP的VOC從1.19 V增加到1.27 V，FF從75%增加到83.1%，器件實(shí)現(xiàn)23.23% PCE，遠(yuǎn)高于控制組的20.06%。反向掃描與正向掃描曲線間幾乎沒有滯后現(xiàn)象。疊層電池表現(xiàn)更加出色：PVK-SCAP/Si疊層器件反向掃描實(shí)現(xiàn)32.33% PCE，VOC達(dá)1.992 V、JSC達(dá)20.43 mA/cm2、FF達(dá)79.43%，經(jīng)第三方評估認(rèn)證穩(wěn)定PCE為31.47%。

Fig. 4b單結(jié)器件J-V曲線與參數(shù)。

Fig. 4f疊層器件J-V曲線與參數(shù)。

Fig. 4g疊層器件穩(wěn)定認(rèn)證效率。

Enlitech SS-LED220 A++可調(diào)光譜LED太陽光模擬器特別適合應(yīng)用于疊層電池研究，提供A++級光譜精確調(diào)控能力（350-1200 nm），可獨(dú)立調(diào)控不同波段LED強(qiáng)度，支持單結(jié)掃描精準(zhǔn)分析串聯(lián)效率瓶頸。A++級時(shí)間不穩(wěn)定性（<0.5%）確保長效穩(wěn)定光照，支持預(yù)光照處理和慢速IV測量有效克服鈣鈦礦遲滯效應(yīng)。

EQE測量：光電轉(zhuǎn)換能力與電流匹配驗(yàn)證

外部量子效率（EQE）光譜驗(yàn)證了TFA?在平衡電荷傳輸動(dòng)力學(xué)中的協(xié)同作用。單結(jié)器件EQE曲線支持SCAP策略帶來的高性能表現(xiàn)，證實(shí)了光電轉(zhuǎn)換能力的顯著提升。疊層器件EQE測量用于確認(rèn)上下電池電流匹配情況：PVK-SCAP/Si疊層太陽能電池的鈣鈦礦子電池和硅子電池積分JSC分別為21.40 mA/cm2和20.55 mA/cm2，與J-V結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了測量準(zhǔn)確性和各波長下的優(yōu)異吸收轉(zhuǎn)換效率。

Fig. 4c 單結(jié)器件 EQE

Fig. 4h 疊層器件 EQE 和積分JSC

Enlitech QE-R量子效率量測系統(tǒng)以重復(fù)性和精度廣獲信賴，應(yīng)用于超過500個(gè)光伏研究實(shí)驗(yàn)室。系統(tǒng)雙獨(dú)立鎖相放大器設(shè)計(jì)，能精確測量疊層太陽能電池的EQE、IPCE、SR、IQE和反射率，并進(jìn)行電流積分計(jì)算，為疊層鈣鈦礦等光伏材料提供可靠的光譜響應(yīng)評估。

結(jié)論

SCAP策略成功解決了WBG鈣鈦礦太陽能電池中界面缺陷和能級失配的長期挑戰(zhàn)，有效消除雙陽離子鈍化中的陽離子競爭問題。通過統(tǒng)一的缺陷鈍化和場效應(yīng)鈍化框架，實(shí)現(xiàn)所有光伏參數(shù)的協(xié)同提升。該技術(shù)不僅推動(dòng)單結(jié)鈣鈦礦效率突破23.23%，更將疊層電池效率提升至32.33%新高度。PVK-SCAP薄膜展現(xiàn)優(yōu)異操作穩(wěn)定性（連續(xù)MPPT測試T?? = 600小時(shí)），為下一代疊層太陽能電池的發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用奠定重要技術(shù)基礎(chǔ)。

Fig.4j

文獻(xiàn)參考自Angewandte Chemie International Edition_DOI: 10.1002/anie.202509782

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