无甲胺MA-free宽带隙混合卤化物钙钛矿适用于钙钛矿/硅叠层太阳能电池但薄膜结晶时溴富集相优先形成随后碘离子并入并完成卤素均匀化。这一过程若控制不当会使碘进入非平衡晶格位点形成间隙缺陷和反位缺陷并产生深能级陷阱增加非辐射复合损失。美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A级LED太阳光模拟器作为老化光源可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围进行长期的稳定性能测试。本研究采用双功能分子4-(2-氨基乙基)苯磺酸盐酸盐SOP利用磺酸基调节前驱体配位和结晶动力学再由铵基作用于碘相关缺陷协同控制卤素均匀化与深能级缺陷。实验方法研究对象为 Cs₀.₂₂FA₀.₇₈Pb(I₀.₈₅Br₀.₁₅)₃ 宽带隙钙钛矿。以苯磺酸BSA、苯乙基氯化铵PCl和 SOP 作为分子添加剂进行对比分析不同官能团对结晶和缺陷的影响。研究通过原位光致发光PL监测旋涂、退火过程中的发光峰位和强度变化结合氢核磁共振¹H NMR、傅里叶变换红外光谱FT-IR、X 射线光电子能谱XPS和 X 射线衍射XRD分析分子相互作用、前驱体配位及结晶变化。密度泛函理论DFT计算用于分析碘间隙缺陷和碘占据铅位反位缺陷的原子结构、吸附行为及电子态深能级瞬态谱DLTS、PL 成像、稳态 PL 和时间分辨 PLTRPL用于表征陷阱与载流子复合。研究还采用扫描电子显微镜SEM、开尔文探针力显微镜KPFM、莫特–肖特基分析、电化学阻抗谱及暗态电流密度–电压J–V测试评估薄膜形貌和器件电学特性并测试单结电池和叠层电池的光伏性能与稳定性。SOP调节结晶动力学与卤素均匀化SOP分子对钙钛矿薄膜结晶过程的影响a对照组上排和经 SOP 处理的钙钛矿薄膜下排的结晶过程示意图。b旋涂阶段和c退火阶段对照组及 SOP 处理组钙钛矿薄膜的原位PL光谱。d旋涂阶段和e退火阶段相应PL 峰位与峰强度的变化。fSOP、FAISOP 和 FAI 的氢-1 核磁共振¹H NMR光谱。gSOP 及 SOP 与 PbI₂ 混合后的傅里叶变换红外FT-IR光谱。h薄膜中 Pb 4f 轨道的 X 射线光电子能谱XPS原位 PL 显示反溶剂滴加后薄膜迅速出现约 715 nm 的发光峰约 2 s 后强度进入初始平台约 5 s 后峰位开始红移反映碘逐渐进入溴富集相。对照样品在约 25 s 后仍出现第二次红移说明 I/Br 交换尚未完成。SOP 处理后PL 峰位在约 25 s 稳定于 748 nm高于对照组的 742 nm且后续发光衰减更缓表明卤素均匀化更连续碘相关缺陷形成受到抑制。FAI 的 ¹H NMR 信号及 FT-IR 结果显示SOP 可与 FAI 和 PbI₂ 发生相互作用XPS 中 SOP 处理薄膜的 Pb 4f 峰向低结合能移动 0.21 eV说明磺酸基参与前驱体配位。SOP还延缓湿膜阶段的晶粒生长退火时 PL 强度峰值出现时间由对照组约 5 s 延后至约 9 s。XRD 结果显示SOP 处理薄膜退火后的100衍射峰更强半峰全宽更窄表明结晶质量改善。研究还发现SOP添加量需在缺陷抑制与薄膜结晶之间取得平衡添加过量会损害结晶质量、产生孔洞并增加串联电阻。紫外–可见吸收测试表明添加剂没有改变钙钛矿带隙因此器件电压和效率提升主要来自缺陷钝化与结晶改善。每组 25 个器件的统计结果也验证了 SOP 处理后开路电压和效率提升的可重复性。碘相关深能级缺陷的结构与钝化机制SOP 分子对深能级缺陷的钝化作用a含碘间隙缺陷Iᵢ和b碘占据铅位反位缺陷Iₚᵦ的 FAI 终止钙钛矿表面原子结构以及 SOP 与钙钛矿表面之间相应的差分电荷密度图。绿色和紫色分别表示电子积累区和电子耗尽区。cSOP 在含 Iᵢ 和 Iₚᵦ 缺陷的表面模型上的吸附能。d不同原子之间的键长和键角。e对照组与 SOP 处理后钙钛矿的总态密度TDOSDFT 计算显示碘间隙缺陷Iᵢ和碘占据铅位反位缺陷Iₚᵦ均可形成带隙内缺陷态其局域结构包含相互作用较强的 I–I 三聚体。SOP 的质子化铵基可锚定于缺陷表面计算得到其在 Iᵢ 和 Iₚᵦ 缺陷模型上的吸附能分别为 −3.83 eV 和 −3.72 eV。SOP 与缺陷结构之间的电荷转移分别约为 0.79 e 和 0.80 e削弱 I–I 相互作用并改变三聚体构型使局域缺陷态变浅或消失。磺酸基主要调节结晶和碘并入过程铵基则直接作用于碘相关缺陷两者共同发挥作用。作为对照BSA 主要通过磺酸基调节卤素均匀化减少孔洞和残余 PbI₂PCl 则主要改善薄膜表面形貌并参与碘相关缺陷钝化。单一官能团只能调节这一耦合过程的一部分SOP 将两种作用整合在同一分子框架中。DLTS 结果显示对照器件存在两个空穴陷阱能级分别位于价带顶以上 0.570 eV 和 0.636 eV。经 SOP 处理后陷阱深度降至 0.484 eV 和 0.485 eV陷阱密度约降低一个数量级。SOP 处理薄膜的 PL 空间分布更均匀发光强度更高TRPL 载流子寿命由对照组的 118.2 ns 增至 525.8 ns高于 BSA 处理组的 315.7 ns 和 PCl 处理组的 390.1 ns说明非辐射复合得到更有效抑制。薄膜和单结器件性能钙钛矿薄膜与器件的表征a对照组和 SOP 处理组钙钛矿薄膜的表面及截面扫描电子显微镜SEM图像b相应薄膜的开尔文探针力显微镜KPFM表征结果。c器件的莫特–肖特基分析。d开路电压Vₒ꜀随光照强度的变化。e不同器件的肖克利–奎伊瑟极限填充因子FFₛ₋Q、最大填充因子FFₘₐₓ和 J–V 曲线填充因子FFⱼ₋ᵥ。f添加不同分子添加剂的冠军单结器件的电流密度–电压J–V曲线插图为反式钙钛矿太阳能电池的结构示意图。g每组 25 个宽带隙器件的开路电压Vₒ꜀和光电转换效率PCE分布直方图SEM 显示SOP 处理后晶粒尺寸增大晶粒沿膜厚方向连续生长孔洞、晶界及残余片状 PbI₂ 减少。KPFM 测得平均接触电势差由对照组约 710 mV 降至约 630 mV表面电势分布更均匀。莫特–肖特基分析显示内建电势由 1.07 V 提高至 1.21 V理想因子由 1.72 降至 1.49反映陷阱辅助复合减弱。对带隙约 1.68 eV 的器件肖克利–奎伊瑟极限填充因子约为 90.9%SOP 组计算得到的最大填充因子为 86.60%与 J–V 曲线对应的填充因子之间差值较小说明非辐射复合和电荷传输造成的填充因子损失受到控制。短路电流密度与光强近似线性表明短路条件下光生载流子的收集未受到明显限制。反式单结器件结构为 ITO/空穴传输层/钙钛矿/电子传输层/浴铜灵BCP/Ag。SOP 处理器件的冠军光电转换效率PCE为 23.81%开路电压为 1.285 V对照组、BSA 组和 PCl 组的 PCE 分别为 21.78%、22.53% 和 22.62%。SOP 组外量子效率EQE积分电流密度为 21.18 mA cm⁻²与 J–V 测试结果吻合。稳定性测试中未封装器件在氮气中存放 1300 h 后保留初始效率的 96.3%对照组为 93.0%在空气、65 °C 条件下T80 寿命由 280 h 延长至 400 h。于 25 °C、相对湿度 20%–40% 的空气中进行最大功率点MPP跟踪时SOP 组运行 300 h 后仍保留 92.3% 的初始效率对照组运行 180 h 后仅保留 60.0%。钙钛矿/硅叠层器件单片双端钙钛矿/硅叠层器件的光伏性能与稳定性。a单片钙钛矿/硅叠层太阳能电池的堆叠结构示意图b经 SOP 处理的叠层器件截面扫描电子显微镜SEM图像。c冠军器件的 J–V 曲线d冠军器件的稳态功率输出SPO。e经 SOP 处理的冠军叠层器件的外量子效率EQE曲线。f封装叠层器件在室温空气环境下接受连续 1 个标准太阳光强照射时的运行稳定性。g未封装叠层器件在充氮手套箱、65 °C 条件下的稳定性研究将 SOP 处理的钙钛矿吸收层集成至单片双端钙钛矿/硅叠层电池器件结构为 Si/ITO/空穴传输层/钙钛矿/C₆₀/SnOₓ/IZO/Ag钙钛矿层平均厚度约 950 nm。冠军器件 PCE 达到 32.30%开路电压为 1.968 V短路电流密度为 20.37 mA cm⁻²填充因子为 80.58%对照器件 PCE 为 30.07%。SOP 组稳态功率输出SPO效率为 31.77%对照组为 28.67%。EQE 积分得到钙钛矿顶电池和硅底电池的电流密度分别为 20.75 mA cm⁻² 和 20.38 mA cm⁻²匹配情况良好。封装叠层器件在空气中连续 1 个标准太阳光强照射 1000 h 后保留初始效率的 90.2%未封装器件在氮气中 65 °C 热老化约 1000 h 后保留 93.1%。对应对照器件在光照和热老化测试后的效率保持率分别为 71.4% 和 89.0%。SOP 将结晶动力学调节与碘相关深能级缺陷钝化结合在同一分子中。磺酸基通过前驱体配位延缓溴富集相过快生长促进碘持续并入并完成 I/Br 均匀化铵基与碘相关缺陷相互作用重构 I–I 三聚体降低陷阱深度和密度。该协同机制改善薄膜结晶、降低非辐射复合损失使 MA-free 宽带隙钙钛矿单结电池效率达到 23.81%钙钛矿/硅叠层电池效率达到 32.30%并在长时间光照和热老化测试中保持较高效率。美能钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A级LED太阳光模拟器作为老化光源并在上一代基础上完成全面进阶光谱范围拓展至300~1700 nmAM0、光谱等级达到AAAAM0、支持24 通道独立可调为钙钛矿太阳能电池、太空光伏及叠层电池2T/3T/4T的研究提供了强有力的支持。▶ 光源等级AAAAM0光谱范围 300~1700 nm适用于太空光伏测试▶多波段独立可控24 通道可调AM0精准匹配三结、四结叠层电池子电池带隙▶ 大样品夹具支持210×105 mm叠层电池夹具采用正背面金线挤压引出电极▶ 环境可控支持15℃~100℃半导体控温同时可在氮气环境无水无氧下测试美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT不仅是性能验证工具更是钙钛矿与叠层太阳能电池研究的高效测试平台。原文参考Bifunctional Molecular Regulation Couples HalideHomogenization With Deep-Level Defect Control inMA-Free Wide-Bandgap Perovskites for Tandem Solar Cells*特别声明本账号所发布的原创及转载文章仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本账号相关权益的行为。文章内容仅供参考如涉及版权问题请及时联系我司进行删除。