研究背景與挑戰：高效能紋理化鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的技術瓶頸

1.技術潛力與產業實踐的落差

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池因能利用成熟的晶硅產線并實現高功率轉換效率（PCE）而成為學術界與產業界關注焦點。近年PCE的突破主要來自于：光管理技術優化、鈣鈦礦結晶質量提升與缺陷鈍化、空穴選擇性自組裝單分子層開發，以及鈣鈦礦/電子傳輸層（C60）界面鈍化策略的進展。

然而，現有高效鈍化策略多應用于平面基板的溶液制程，往往需要對硅底電池進行客制化處理（如額外拋光或調整金字塔尺寸）。這與工業標準硅技術采用的隨機金字塔形貌（高度 > 1 μm，遠超鈣鈦礦厚度）存在本質沖突，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

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勢和優異光管理效果，但在實施有效的鈣鈦礦/C60界面鈍化方面面臨關鍵技術障礙，導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問題：

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

• 界面復合損失：載流子濃度失衡引發高界面復合率，直接導致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部電導率，造成嚴重的載流子傳輸與選擇性損失，表現為填充因子（FF）性能不佳

研究團隊與主要成果

本研究由德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所（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（KAUST）的 Stefaan De Wolf 教授共同主導，研究成果發表于國際期刊Science。研究團隊成功提出突破性的界面工程策略，大幅提升了工業標準紋理化鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的性能與穩定性。

主要研究策略

• 混合式兩步驟鈣鈦礦沉積方法：與工業標準紋理化硅基板兼容

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

研究成就與技術看點

Fig.4D

• 核心創新：電子累積的深層場效鈍化機制

• 突破傳統界面鈍化僅抑制界面復合的限制，PDAI在整個鈣鈦礦吸收層內部誘導顯著電子累積

• 成功降低鈣鈦礦/C60界面導帶偏移（ΔEC,ETL），減少界面復合損失

• 顯著提高鈣鈦礦吸收層電導率，大幅減少載流子傳輸損失，改善填充因子表現

• 器件性能里程碑突破

• 功率轉換效率（PCE）達33.1%，創紋理化疊層電池新高

• 開路電壓（VOC）高達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

• 工業兼容架構性能與目前紀錄保持器件相當

• 優異穩定性與產業應用潛力

• 獲得經認證的       31.6% 穩定PCE，展現實際應用價值

• PDAI處理透過抑制離子遷移，顯著增強器件長期操作穩定性

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

• 策略在不同研究機構間展現重現性，證明產業化可行性

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型浮區硅晶圓（電阻率 1 Ω·cm），利用KOH溶液進行工業標準雙面隨機金字塔紋理化，形成 1-4 μm 高度金字塔結構。經臭氧濕化學清洗后，以PECVD技術在雙面沉積本征/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電極結構。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。

2.鈣鈦礦頂部電池的混合沉積技術

硅基板經乙醇清洗和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新的混合式兩步驟蒸發/旋涂方法制備：(一)共蒸發PbI?/CsX無機骨架（~550 nm），(二)動態旋涂FAI/FABr有機鹵化物溶液（含少量尿素結晶劑），并通過調整FABr/FAI比例控制目標帶隙（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，引入核心創新技術-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（浸涂法展現良好可擴展性），隨后100°C退火3分鐘，實現鈣鈦礦/C60界面的深層場效鈍化。

4.電極與光學層建構

完成PDAI處理后，依序真空蒸發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電氧化物（ITO或IZO），蒸發Ag頂部電極（650 nm），最后熱蒸發MgF?抗反射層（140 nm）。所有蒸發制程均由石英晶體微天平精確監控。

5.穩定性評估與封裝

為評估長期穩定性，采用PV帶和銀漿連接電池并進行工業級封裝。封裝結構包含太陽能玻璃、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，確保優異的環境保護性能。

研究成果與表征

準費米能階分裂(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化提供證據。

參考鈣鈦礦薄膜的準費米能階分裂(iVOC)影像顯示空間波動性較大，標準偏差(σ)為 38 mV，平均值為 1.23 V。經過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 達到 1.25 V，這表明PDAI具有輕微的化學鈍化特性。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。

為了精準掌握材料的QFLS特性并快速評估其潛力，Enlitech的QFLS-Maper準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等關鍵參數。這不僅能幫助研究人員迅速預測材料效率極限，更能透過可視化方式一眼看出材料質量與準費米能階分布，大幅提升研發效率。

J-V曲線測量

用于直接評估太陽能電池的關鍵性能參數。偽 J-V (pseudo-J-V) 曲線則用于量化器件的串聯電阻(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%。紀錄的器件更達到了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主要透過調控載流子密度，降低了RS的非奧姆貢獻，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曲線及其詳細的光伏參數，明確顯示了PDAI在VOC、FF和PCE上的提升。

進行精確的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 標準光譜太陽光模擬器能提供A+級光譜精度和優異的穩定性。搭配其IVS-KA6000綜合測試軟件，不僅能執行正向/反向IV掃描及多信道測試，更具備NREL漸近檢測功能。SS-X結合SS-IRIS技術，能在不改變光譜的情況下自動調整光強度，支持Sun-Voc等復雜測試。

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，這一結果與EQE和反射率測量結果一致。研究團隊還透過將鈣鈦礦帶隙從 1.67 eV 調整到 1.70 eV，以實現更好的電流匹配，這進一步提升了器件性能。EQE曲線的穩定性也間接證明了器件的長期穩定性未受影響。

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

Fig. S17C顯示了相應的反射率測量結果，進一步驗證了光學管理方面的比較性。

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

Enlitech的QE-R量子效率量測系統是光伏研究中值得信賴的工具，以其重復性和精度，廣泛應用于超過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》等旗艦期刊。QE-R系統特別設計了雙獨立鎖相放大器，能精確測量多結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和反射率等多種數據，并能進行電流積分計算。

UPS與AM-KPFM測量

紫外光電子能譜(UPS)用于分析薄膜的功函數(Wf)和電離電位(IP)，以研究鈣鈦礦/C60界面的能帶對齊。振幅調變開爾文探針力顯微鏡(AM-KPFM)則用于驗證功函數變化，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(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結果也顯示PDAI處理后的表面電位分布更加均勻。

Fig. 2A呈現了參考和PDAI處理薄膜的二次電子截止區域的UPS測量結果。

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測量結果顯示了參考和PDAI處理薄膜的功函數分布。

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。研究發現，PDAI與有機富集的鈣鈦礦表面（本研究使用的混合蒸發/旋涂方法產生的表面）相互作用時，會誘導一個指向C60的正偶極，從而導致功函數增加。這與實驗觀察到的功函數增加趨勢一致。

Fig. 2D顯示了PDAI分子的化學結構和靜電勢能圖。

Fig. 2F展示了PDAI與有機終端MAPbI3相互作用后的優化結構和感應電荷密度差異。

Fig. 2G呈現了PbI2-終端和MAI-終端MAPbI3在有無PDAI情況下的計算功函數。

時間解析 PL (TRPL) 與瞬態吸收光譜(TA)

時間解析光致發光(TRPL)測量用于解耦界面電荷轉移和界面電荷復合的競爭過程。瞬態吸收(TA)光譜則用于詳細研究納秒時間尺度的載流子動力學和非發射陷阱態信號。

帶有C60的參考樣品，其微分壽命在 ~1 μs 處達到平臺期，相較于無C60的參考樣品減少了一個數量級，表明界面復合主導了動力學。相比之下，經PDAI處理且帶有C60的堆棧顯示微分壽命平臺期約為 ~10 μs，而無C60時為 ~13 μs，這強烈表明目標堆棧中的界面復合顯著減少。TA測量結果進一步顯示，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呈現了瞬態吸收測量中參考和PDAI處理薄膜的帶隙漂白衰減曲線。

Suns-VOC測量

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

測量結果發現，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，目標器件顯示出較小的斜率，強調PDAI主要是透過調節載流子密度，降低了RS的非奧姆貢獻。

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定性至關重要。

穩定性測試后，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。結果顯示，經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定性。

Fig. S26A, B呈現了代表性參考太陽能電池和PDAI鈍化太陽能電池在穩定性測試前后的BACE測量結果。

其他表征

戶外穩定性與濕熱測試驗證器件在實際操作環境下的長期可靠性。PDAI鈍化器件在紅海沿岸戶外環境展現穩定性，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PDAI分子在鈣鈦礦表面的成功吸附與化學相互作用。檢測到PDAI分子特征信號，C-N鍵信號增強，N 1s、Pb 3d和I 3d核心能級向低結合能位移，證實PDAI與鈣鈦礦表面發生有效相互作用。(Fig. S5A-D)

結構表征（XRD, GIWAXS, STEM）驗證PDAI處理不影響鈣鈦礦晶體結構完整性。確認系統中未形成低維鈣鈦礦相，3D鈣鈦礦結構在界面保持不變，PDAI處理對鈣鈦礦形態無顯著影響。(Fig. S6A-G, Fig. S7C-E)

掃描電子顯微鏡（SEM）觀察器件橫截面形態及鈣鈦礦薄膜表面結構。證實各層結構清晰，PDAI添加未導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)

研究結論與成果總結

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

創紀錄器件性能

器件實現33.1%的光電轉換效率（PCE）和2.01 V開路電壓（VOC），其中認證穩態PCE達31.6%。這使得紋理化硅基疊層電池的性能與當前平面型疊層電池的紀錄持平，證明在復雜工業基板上實現高效鈍化的可行性，克服了高表面積帶來的鈍化挑戰。

核心創新：深層場效應鈍化機制

PDAI透過功函數工程在鈣鈦礦/C60界面誘導正偶極矩，將導帶偏移（ΔEC,ETL）從參考器件的180 meV降至目標器件的70 meV。關鍵突破在于「深層場效應鈍化」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）改善的主要驅動力。

優異的長期穩定性

器件在紅海沿岸戶外環境連續運作超過1000小時保持穩定輸出，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定性。

工業化應用潛力

該策略與工業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。

文獻參考自Science_DOI: 10.1126/science.adx1745

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