研究背景與挑戰(zhàn)：高效能紋理化鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的技術(shù)瓶頸

1.技術(shù)潛力與產(chǎn)業(yè)實踐的落差

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池因能利用成熟的晶硅產(chǎn)線并實現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）而成為學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界關(guān)注焦點。近年PCE的突破主要來自于：光管理技術(shù)優(yōu)化、鈣鈦礦結(jié)晶質(zhì)量提升與缺陷鈍化、空穴選擇性自組裝單分子層開發(fā)，以及鈣鈦礦/電子傳輸層（C60）界面鈍化策略的進(jìn)展。

然而，現(xiàn)有高效鈍化策略多應(yīng)用于平面基板的溶液制程，往往需要對硅底電池進(jìn)行客制化處理（如額外拋光或調(diào)整金字塔尺寸）。這與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硅技術(shù)采用的隨機金字塔形貌（高度 > 1 μm，遠(yuǎn)超鈣鈦礦厚度）存在本質(zhì)沖突，使得高效策略難以整合至紋理化硅基板。

2.紋理化疊層電池的核心挑戰(zhàn)

基于大尺寸紋理硅的紋理化鈣鈦礦/硅疊層電池雖具備制造成本優(yōu)勢和優(yōu)異光管理效果，但在實施有效的鈣鈦礦/C60界面鈍化方面面臨關(guān)鍵技術(shù)障礙，導(dǎo)致與平面器件相比開路電壓（VOC）損失超過 100 mV。

3.性能損失的電學(xué)機制

深入分析顯示，紋理化疊層電池的性能下降源于以下電學(xué)問題：

• 能帶失配效應(yīng)：鈣鈦礦與電子傳輸層間的大導(dǎo)帶偏移（ΔEC,ETL）導(dǎo)致頂部接觸處載流子濃度嚴(yán)重失衡，且此效應(yīng)延伸至整個鈣鈦礦體積

• 界面復(fù)合損失：載流子濃度失衡引發(fā)高界面復(fù)合率，直接導(dǎo)致VOC顯著下降

• 傳輸性能劣化：吸收層中等載流子濃度限制了內(nèi)部電導(dǎo)率，造成嚴(yán)重的載流子傳輸與選擇性損失，表現(xiàn)為填充因子（FF）性能不佳

研究團(tuán)隊與主要成果

本研究由德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所（Fraunhofer ISE）的 Oussama Er-raji 教授與 Stefan W. Glunz 教授，以及阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）的 Stefaan De Wolf 教授共同主導(dǎo)，研究成果發(fā)表于國際期刊Science。研究團(tuán)隊成功提出突破性的界面工程策略，大幅提升了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)紋理化鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的性能與穩(wěn)定性。

主要研究策略

• 混合式兩步驟鈣鈦礦沉積方法：與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)紋理化硅基板兼容

• PDAI表面處理技術(shù)：引入1,3-二氨基丙烷二氫碘化物進(jìn)行鈣鈦礦表面處理，降低鈣鈦礦與電子傳輸層（C60）間的導(dǎo)帶偏移，并在整個鈣鈦礦吸收層內(nèi)誘導(dǎo)電子累積

研究成就與技術(shù)看點

Fig.4D

• 核心創(chuàng)新：電子累積的深層場效鈍化機制

• 突破傳統(tǒng)界面鈍化僅抑制界面復(fù)合的限制，PDAI在整個鈣鈦礦吸收層內(nèi)部誘導(dǎo)顯著電子累積

• 成功降低鈣鈦礦/C60界面導(dǎo)帶偏移（ΔEC,ETL），減少界面復(fù)合損失

• 顯著提高鈣鈦礦吸收層電導(dǎo)率，大幅減少載流子傳輸損失，改善填充因子表現(xiàn)

• 器件性能里程碑突破

• 功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)33.1%，創(chuàng)紋理化疊層電池新高

• 開路電壓（VOC）高達(dá)2.01       V，消除了過去紋理化器件 >100 mV 的性能落差

• 填充因子（FF）顯著提升，證實降低傳輸損失策略的有效性

• 工業(yè)兼容架構(gòu)性能與目前紀(jì)錄保持器件相當(dāng)

• 優(yōu)異穩(wěn)定性與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用潛力

• 獲得經(jīng)認(rèn)證的       31.6% 穩(wěn)定PCE，展現(xiàn)實際應(yīng)用價值

• PDAI處理透過抑制離子遷移，顯著增強器件長期操作穩(wěn)定性

• 在紅海沿岸熱濕戶外環(huán)境及濕熱測試中表現(xiàn)出色，對FF和VOC損失具良好抵抗力

• 策略在不同研究機構(gòu)間展現(xiàn)重現(xiàn)性，證明產(chǎn)業(yè)化可行性

實驗步驟與制程流程

Fig.4B

1.紋理化硅底部電池制備

采用 250 μm 厚p型浮區(qū)硅晶圓（電阻率 1 Ω·cm），利用KOH溶液進(jìn)行工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)雙面隨機金字塔紋理化，形成 1-4 μm 高度金字塔結(jié)構(gòu)。經(jīng)臭氧濕化學(xué)清洗后，以PECVD技術(shù)在雙面沉積本征/摻雜非晶硅鈍化層（~27 nm），并分別在正面和背面濺射ITO重組層（20 nm）與完整的ITO/Ag電極結(jié)構(gòu)。最終將晶圓雷射劃刻為 2.2×2.2 cm2 或 2.5×2.5 cm2 基板，保留 1×1 cm2 ITO 焊盤作為活性區(qū)。

2.鈣鈦礦頂部電池的混合沉積技術(shù)

硅基板經(jīng)乙醇清洗和UV/臭氧處理后，先旋涂沉積Me-4PACz空穴傳輸層。鈣鈦礦吸收層采用創(chuàng)新的混合式兩步驟蒸發(fā)/旋涂方法制備：(一)共蒸發(fā)PbI?/CsX無機骨架（~550 nm），(二)動態(tài)旋涂FAI/FABr有機鹵化物溶液（含少量尿素結(jié)晶劑），并通過調(diào)整FABr/FAI比例控制目標(biāo)帶隙（1.67或 1.70 eV）。完成后在空氣中100°C退火10分鐘。

3. PDAI 界面鈍化策略實施

在鈣鈦礦層形成后，引入核心創(chuàng)新技術(shù)-1,3-二氨基丙烷二氫碘化物（PDAI）表面處理。PDAI溶于氯苯/異丙醇混合溶劑中，可透過旋涂或浸涂方式沉積（浸涂法展現(xiàn)良好可擴展性），隨后100°C退火3分鐘，實現(xiàn)鈣鈦礦/C60界面的深層場效鈍化。

4.電極與光學(xué)層建構(gòu)

完成PDAI處理后，依序真空蒸發(fā)C60電子傳輸層（18 nm），ALD沉積SnO?緩沖層（15-30 nm，80°C），屏蔽濺射頂部透明導(dǎo)電氧化物（ITO或IZO），蒸發(fā)Ag頂部電極（650 nm），最后熱蒸發(fā)MgF?抗反射層（140 nm）。所有蒸發(fā)制程均由石英晶體微天平精確監(jiān)控。

5.穩(wěn)定性評估與封裝

為評估長期穩(wěn)定性，采用PV帶和銀漿連接電池并進(jìn)行工業(yè)級封裝。封裝結(jié)構(gòu)包含太陽能玻璃、TPU封裝劑和PIB邊緣密封劑，整體在真空層壓機中120°C處理20分鐘，確保優(yōu)異的環(huán)境保護(hù)性能。

研究成果與表征

準(zhǔn)費米能階分裂(QFLS)影像分析

QFLS用于量化材料的開路電壓(VOC)潛力，幫助研究人員理解非輻射復(fù)合損失的來源，并評估不同制程對材料性能的影響，為界面工程和材料優(yōu)化提供證據(jù)。

參考鈣鈦礦薄膜的準(zhǔn)費米能階分裂(iVOC)影像顯示空間波動性較大，標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)為 38 mV，平均值為 1.23 V。經(jīng)過PDAI處理后，iVOC的空間均勻性顯著提高，σ降低至 26 mV，平均iVOC增加了 20 mV 達(dá)到 1.25 V，這表明PDAI具有輕微的化學(xué)鈍化特性。在沉積C60后，參考堆棧的iVOC下降 80 mV 至 1.15 V，且分布更廣 (σ = 65 mV)，但PDAI鈍化后的堆棧iVOC保持在 1.23 V，分布也更窄 (σ = 17 mV)。

Fig. 3A 顯示了參考和PDAI處理后鈣鈦礦薄膜的iVOC影像。

為了精準(zhǔn)掌握材料的QFLS特性并快速評估其潛力，Enlitech的QFLS-Maper準(zhǔn)費米能階分裂檢測儀器是理想之選。它能以極快的速度（QFLS影像不到3秒，Pseudo J-V 曲線不到2分鐘）提供直觀的QFLS可視化影像，并量測iVOC、Pseudo J-V、PLQY及EL-EQE等關(guān)鍵參數(shù)。這不僅能幫助研究人員迅速預(yù)測材料效率極限，更能透過可視化方式一眼看出材料質(zhì)量與準(zhǔn)費米能階分布，大幅提升研發(fā)效率。

J-V曲線測量

用于直接評估太陽能電池的關(guān)鍵性能參數(shù)。偽 J-V (pseudo-J-V) 曲線則用于量化器件的串聯(lián)電阻(RS)和傳輸損失。

透過PDAI策略，器件的PCE從29.1%提升至32.3%，其中VOC從 1.83 V 增加到 1.94 V，FF從79.4%提升到81.6%。紀(jì)錄的器件更達(dá)到了33.1%的PCE和 2.01 V 的VOC。

偽J-V測量顯示，PDAI處理后，偽填充因子(pFF)與實際FF的差異從參考器件的6%顯著下降至3%。同時，功率點(MPP)的串聯(lián)電阻(RS)也從6奧姆-平方公分降低到3奧姆-平方公分。這表明PDAI主要透過調(diào)控載流子密度，降低了RS的非奧姆貢獻(xiàn)，從而減少了傳輸損失。

Fig. 4D展示了疊層太陽能電池的J-V曲線，其PCE達(dá)到33.1%，VOC為 2.01 V，彰顯了本研究策略在性能上的突破。

Fig. 3E描繪了參考和PDAI鈍化疊層太陽能電池的J-V、偽J-V和推導(dǎo)J-V曲線，直觀顯示了PDAI如何縮小了pFF與FF之間的差距，證明其在降低傳輸損失方面的有效性。

Fig. S17A進(jìn)一步提供了有PDAI處理和無PDAI處理的器件在正向和反向掃描下的J-V曲線及其詳細(xì)的光伏參數(shù)，明確顯示了PDAI在VOC、FF和PCE上的提升。

進(jìn)行精確的J-V曲線測量，特別是對新一代太陽能電池如鈣鈦礦/硅疊層電池，Enlitech的SS-X AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽光模擬器能提供A+級光譜精度和優(yōu)異的穩(wěn)定性。搭配其IVS-KA6000綜合測試軟件，不僅能執(zhí)行正向/反向IV掃描及多信道測試，更具備NREL漸近檢測功能。SS-X結(jié)合SS-IRIS技術(shù)，能在不改變光譜的情況下自動調(diào)整光強度，支持Sun-Voc等復(fù)雜測試。

EQE測量

測量用于確定太陽能電池在不同波長光照下的電流收集效率，并評估疊層電池各子電池之間的電流匹配情況。

PDAI處理后，器件的短路電流密度(JSC)保持不變，這一結(jié)果與EQE和反射率測量結(jié)果一致。研究團(tuán)隊還透過將鈣鈦礦帶隙從 1.67 eV 調(diào)整到 1.70 eV，以實現(xiàn)更好的電流匹配，這進(jìn)一步提升了器件性能。EQE曲線的穩(wěn)定性也間接證明了器件的長期穩(wěn)定性未受影響。

Fig. S17B呈現(xiàn)了參考和PDAI處理器件的EQE測量結(jié)果，顯示兩者的光譜響應(yīng)曲線相似，支持了JSC保持一致的觀察。

Fig. S17C顯示了相應(yīng)的反射率測量結(jié)果，進(jìn)一步驗證了光學(xué)管理方面的比較性。

Fig. S23A則展示了不同帶隙（1.67 eV 和 1.70 eV）器件的EQE測量，強調(diào)了帶隙調(diào)整如何影響鈣鈦礦子電池的光譜吸收邊緣，以達(dá)到電流匹配。

Enlitech的QE-R量子效率量測系統(tǒng)是光伏研究中值得信賴的工具，以其重復(fù)性和精度，廣泛應(yīng)用于超過500個光伏研究實驗室，并被1,000多篇SCI論文引用，包括《自然》、《科學(xué)》等旗艦期刊。QE-R系統(tǒng)特別設(shè)計了雙獨立鎖相放大器，能精確測量多結(jié)太陽能電池的量子效率，包括鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池。它提供EQE、IPCE、SR、IQE和反射率等多種數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行電流積分計算。

UPS與AM-KPFM測量

紫外光電子能譜(UPS)用于分析薄膜的功函數(shù)(Wf)和電離電位(IP)，以研究鈣鈦礦/C60界面的能帶對齊。振幅調(diào)變開爾文探針力顯微鏡(AM-KPFM)則用于驗證功函數(shù)變化，并觀察表面電位分布的均勻性。

UPS測量顯示，PDAI鈍化后的鈣鈦礦薄膜功函數(shù)(Wf)比參考樣品增加了 270 meV(從 4.49 eV 增至 4.76 eV)。電離電位(IP)的變化表明了偶極的形成。這種偶極形成導(dǎo)致與C60界面處的能帶偏移從參考樣品的 180 meV 最小化至 70 meV。AM-KPFM結(jié)果也顯示PDAI處理后的表面電位分布更加均勻。

Fig. 2A呈現(xiàn)了參考和PDAI處理薄膜的二次電子截止區(qū)域的UPS測量結(jié)果。

Fig. 2C展示了參考和PDAI處理薄膜與C60的能帶圖。

Fig. S9G則透過AM-KPFM測量結(jié)果顯示了參考和PDAI處理薄膜的功函數(shù)分布。

DFT計算

計算用于從理論層面深入理解PDAI分子在鈣鈦礦表面形成偶極的機制和其方向。

DFT計算揭示PDAI分子具有8.27 D 的偶極矩。研究發(fā)現(xiàn)，PDAI與有機富集的鈣鈦礦表面（本研究使用的混合蒸發(fā)/旋涂方法產(chǎn)生的表面）相互作用時，會誘導(dǎo)一個指向C60的正偶極，從而導(dǎo)致功函數(shù)增加。這與實驗觀察到的功函數(shù)增加趨勢一致。

Fig. 2D顯示了PDAI分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和靜電勢能圖。

Fig. 2F展示了PDAI與有機終端MAPbI3相互作用后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和感應(yīng)電荷密度差異。

Fig. 2G呈現(xiàn)了PbI2-終端和MAI-終端MAPbI3在有無PDAI情況下的計算功函數(shù)。

時間解析 PL (TRPL) 與瞬態(tài)吸收光譜(TA)

時間解析光致發(fā)光(TRPL)測量用于解耦界面電荷轉(zhuǎn)移和界面電荷復(fù)合的競爭過程。瞬態(tài)吸收(TA)光譜則用于詳細(xì)研究納秒時間尺度的載流子動力學(xué)和非發(fā)射陷阱態(tài)信號。

帶有C60的參考樣品，其微分壽命在 ~1 μs 處達(dá)到平臺期，相較于無C60的參考樣品減少了一個數(shù)量級，表明界面復(fù)合主導(dǎo)了動力學(xué)。相比之下，經(jīng)PDAI處理且?guī)в?/span>C60的堆棧顯示微分壽命平臺期約為 ~10 μs，而無C60時為 ~13 μs，這強烈表明目標(biāo)堆棧中的界面復(fù)合顯著減少。TA測量結(jié)果進(jìn)一步顯示，參考樣品中存在的長壽命淺陷阱載流子信號，在PDAI處理后消失。PDAI處理使參考/C60堆棧的TA帶隙漂白加權(quán)平均載流子壽命從 27 ns 增加到 53 ns，證實VOC改善的主要原因是界面復(fù)合的減少。

Fig. 3B顯示了參考和PDAI處理薄膜的時間解析PL衰減曲線。

Fig. 3D呈現(xiàn)了瞬態(tài)吸收測量中參考和PDAI處理薄膜的帶隙漂白衰減曲線。

Suns-VOC測量

在開路條件下進(jìn)行，避免電荷提取，獲得的偽J-V曲線被認(rèn)為沒有傳輸損失，可用于量化總串聯(lián)電阻(RS)。

測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然偽填充因子(pFF)保持在85%不變，但pFF-FF差異在PDAI鈍化器件中從參考器件的6%降低到3%。因此，在功率點(MPP)的串聯(lián)電阻(RS)計算值顯著下降，從6奧姆-平方公分降至3奧姆-平方公分。在不同操作電壓下評估RS，目標(biāo)器件顯示出較小的斜率，強調(diào)PDAI主要是透過調(diào)節(jié)載流子密度，降低了RS的非奧姆貢獻(xiàn)。

Fig. 3E展示了參考和PDAI鈍化疊層太陽能電池的J-V、偽J-V和推導(dǎo)J-V曲線。

Fig. S14描繪了參考和PDAI處理器件在不同操作電壓下的RS曲線。

偏壓輔助電荷提取(BACE)測量

用于量化太陽能電池中移動離子的濃度，這對于理解鈣鈦礦器件的長期操作穩(wěn)定性至關(guān)重要。

穩(wěn)定性測試后，參考器件的移動離子濃度 (6.5 × 10^17 cm?3)是目標(biāo)器件 (2.6 × 10^17 cm?3)的近三倍。這可能是參考器件加速降解的明確原因。結(jié)果顯示，經(jīng)PDAI改性的鈣鈦礦/C60界面能夠有效固定離子遷移，從而增強器件的操作穩(wěn)定性。

Fig. S26A, B呈現(xiàn)了代表性參考太陽能電池和PDAI鈍化太陽能電池在穩(wěn)定性測試前后的BACE測量結(jié)果。

其他表征

戶外穩(wěn)定性與濕熱測試驗證器件在實際操作環(huán)境下的長期可靠性。PDAI鈍化器件在紅海沿岸戶外環(huán)境展現(xiàn)穩(wěn)定性，濕熱測試中PCE相對于初始性能的保留率從73.7%提升至83.4%，顯著提升FF與VOC抗衰減能力。(Fig. 4F, Fig. S27)

X射線光電子能譜（XPS）確認(rèn)PDAI分子在鈣鈦礦表面的成功吸附與化學(xué)相互作用。檢測到PDAI分子特征信號，C-N鍵信號增強，N 1s、Pb 3d和I 3d核心能級向低結(jié)合能位移，證實PDAI與鈣鈦礦表面發(fā)生有效相互作用。(Fig. S5A-D)

結(jié)構(gòu)表征（XRD, GIWAXS, STEM）驗證PDAI處理不影響鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)完整性。確認(rèn)系統(tǒng)中未形成低維鈣鈦礦相，3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在界面保持不變，PDAI處理對鈣鈦礦形態(tài)無顯著影響。(Fig. S6A-G, Fig. S7C-E)

掃描電子顯微鏡（SEM）觀察器件橫截面形態(tài)及鈣鈦礦薄膜表面結(jié)構(gòu)。證實各層結(jié)構(gòu)清晰，PDAI添加未導(dǎo)致鈣鈦礦表觀晶粒尺寸改變，維持良好的薄膜共形性。(Fig. 4B, Fig. S8A-B)

太赫茲光譜與空間電荷限制電流（SCLC）量測載流子遷移率與缺陷密度，理解導(dǎo)電率提升機制。載流子遷移率維持相近水平（16.5-18.5 cm2/Vs），電子濃度增強為串聯(lián)電阻降低的根本原因，缺陷密度從1.55×10^15降至1.15×10^15 cm^-3。(Fig. S15, Fig. S16A-B)

研究結(jié)論與成果總結(jié)

研究成功開發(fā)基于1,3-二氨基丙烷二氫碘化物（PDAI）的鈍化策略，顯著提升工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)紋理化硅基鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的效率與穩(wěn)定性。

創(chuàng)紀(jì)錄器件性能

器件實現(xiàn)33.1%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）和2.01 V開路電壓（VOC），其中認(rèn)證穩(wěn)態(tài)PCE達(dá)31.6%。這使得紋理化硅基疊層電池的性能與當(dāng)前平面型疊層電池的紀(jì)錄持平，證明在復(fù)雜工業(yè)基板上實現(xiàn)高效鈍化的可行性，克服了高表面積帶來的鈍化挑戰(zhàn)。

核心創(chuàng)新：深層場效應(yīng)鈍化機制

PDAI透過功函數(shù)工程在鈣鈦礦/C60界面誘導(dǎo)正偶極矩，將導(dǎo)帶偏移（ΔEC,ETL）從參考器件的180 meV降至目標(biāo)器件的70 meV。關(guān)鍵突破在于「深層場效應(yīng)鈍化」將電子積累擴展至整個鈣鈦礦吸收層體材料，使吸收層內(nèi)的平均電子濃度從模擬的1×10^14提升至4×10^15 cm^-3。這顯著增強了吸收層的導(dǎo)電性并降低了載流子傳輸損失，成為填充因子（FF）改善的主要驅(qū)動力。

優(yōu)異的長期穩(wěn)定性

器件在紅海沿岸戶外環(huán)境連續(xù)運作超過1000小時保持穩(wěn)定輸出，濕熱測試（85°C, 85%RH, 1000小時）中，PCE相對于初始性能的保留率從73.7%提升至83.4%。PDAI處理有效固定鈣鈦礦/C60界面上的離子遷移，大幅降低了移動離子濃度，從根本上改善了器件的運行穩(wěn)定性。

工業(yè)化應(yīng)用潛力

該策略與工業(yè)兼容的混合兩步沉積法匹配，適用于大金字塔尺寸的紋理化硅基板。研究已驗證透過浸涂法沉積PDAI的可擴展性，其作用機制使其在多種鈣鈦礦組合物中均能成功提升性能。

文獻(xiàn)參考自Science_DOI: 10.1126/science.adx1745

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