在絨面硅基板上實現高有序、均勻覆蓋的自組裝單分子層（SAMs）是提升鈣鈦礦/硅疊層電池（TSCs）效率的關鍵難題。本文開發了一種不對稱自組裝單分子層HTL201作為空穴選擇層（HSL），在鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池中實現34.58%的認證效率（1.004 cm2），并通過優化的界面覆蓋、缺陷鈍化和能級對齊將開路電壓提升至近2V。鈣鈦礦最大功率點追蹤測試 MPPT可以為鈣鈦礦太陽能電池的測試和性能驗證提供了高效的支持。

分子設計創新

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不同SAM在IZO襯底上的覆蓋度及其與鈣鈦礦的相互作用

(a) IZO表面分子平衡構型俯視圖(b) Me-4PACz、MeO-4PACz和HTL201在IZO表面的吸附能隨時間變化(c) HTL201分子在IZO襯底上的吸附過程(d) 三種SAM的IZO表面覆蓋率對比(e) IZO與不同SAM界面作用示意圖（HTL201形成致密單層）(f) 乙醇清洗前后SAM覆蓋率因子統計(g, h) FAPbI? (100)吸附SAM的優化結構及結合能計算

IZO基底上SAM吸附過程模擬

本研究通過分子設計開發了不對稱咔唑基自組裝單分子層HTL201，其特點是在咔唑核苯環側引入間隔基團和膦酸錨定基團（區別于傳統對稱結構），用于鈣鈦礦/硅疊層電池的空穴傳輸層（HSL）。核心突破包括：

• 最小空間位阻：提升TCO（IZO）覆蓋率和分子排列有序性（分子動力學模擬驗證）。
• 強配位作用：XPS顯示HTL201使IZO的Zn 2p/In 3d峰位移0.7/0.5 eV（高于對照組），表明與TCO結合更強。
• 優化能級排列：HOMO能級（-5.11 eV）與鈣鈦礦價帶（-5.47 eV）匹配，提升空穴提取效率。

硅異質結電池性能

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基于不同HSL的疊層電池性能

(a, b) 兩端鈣鈦礦/硅疊層電池結構及HTL201電池截面SEM圖(c–f) 不同SAM電池的PCE、VOC、FF、JSC箱線圖（20組電池）(g) 最佳電池J-V曲線(h) HTL201電池外量子效率（EQE）曲線(i) ESTI認證的J-V曲線（插圖：1.74 V偏壓下穩態輸出）以硅異質結太陽能電池為底電池構建了單片鈣鈦礦 / 硅串聯太陽能電池。使用 HTL201 的電池平均PCE 為 34.22%，冠軍 TSC 的效率達到34.60%，VOC高達2.001 V，JSC為 20.64 mA/cm2，FF 為 83.79%。

效率對比（20組電池均值）經歐洲太陽能測試機構（ESTI）認證，基于 HTL201 的 TSC 認證 PCE 為34.58%，這是已報道的鈣鈦礦 / 硅 TSC 研究中的記錄效率。

鈣鈦礦薄膜形貌

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不同SAM基底鈣鈦礦薄膜的光致發光行為

• 接觸角測試：HTL201基底對鈣鈦礦前驅液的潤濕性更好，有利于形成致密薄膜。
• AFM表征：HTL201薄膜更均勻，無明顯團聚。
• SEM與XRD：HTL201上鈣鈦礦薄膜晶粒更大、結晶性更強。
• GIWAXS：HTL201促進鈣鈦礦沿(100)方向擇優生長。
• 原位PL與顯微鏡：HTL201延遲結晶過程，有助于形成高質量鈣鈦礦薄膜。

電荷動力學

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SAM對載流子動力學的影響

(a) 不同SAM上鈣鈦礦膜的PL量子產率（PLQY）(b) 準費米能級分裂（QFLS）值對比(c) 偽填充因子（pFF）與實際FF差值(d–g) UPS譜：二次電子截止區（左，功函數WF）與價帶區（右）(h) C-AFM電流映射圖（鈣鈦礦膜導電性對比）通過光致發光（PL）、時間分辨光致發光（TRPL）和PL量子產率（PLQY）等測試，深入分析了HTL201對電荷動力學的影響。結果表明，HTL201基鈣鈦礦薄膜具有更低的陷阱密度和更長的載流子壽命。紫外光電子能譜（UPS）和導電原子力顯微鏡（C-AFM）分析進一步揭示了HTL201與鈣鈦礦之間優化的能級排列和增強的電荷傳輸能力。這些特性共同促成了電池VOC和填充因子（FF）的顯著提升。

疊層電池穩定性

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疊層電池穩定性

(a) 未封裝電池在N?環境存儲1080小時后的PCE保持率(b, c) 封裝電池在25°C/45°C下MPP跟蹤結果儲存穩定性（未封裝）：HTL201器件在1080小時后仍保持98.9%的初始效率，優于Me-4PACz（84.8%）和MeO-4PACz（94.6%）。運行穩定性（封裝）：

• 25°C下運行1020小時，HTL201器件保持98.0%初始效率；
• 45°C下運行1020小時，HTL201器件保持91.3%初始效率。

電化學穩定性：HTL201在CV測試中表現出更高的氧化還原穩定性。光穩定性：NMR測試表明HTL201在持續光照下分子結構穩定。本文通過非對稱分子設計策略，開發出新型SAM材料HTL201，顯著提升了鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的界面質量、光電性能和穩定性。HTL201在界面覆蓋性、能級匹配、缺陷鈍化、電荷傳輸等方面均優于傳統對稱SAM，最終實現了34.58%的認證效率，為鈣鈦礦/硅疊層電池的進一步發展提供了重要方向。

鈣鈦礦最大功率點追蹤測試 MPPT

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鈣鈦礦最大功率點追蹤測試 MPPT采用A+AA+級LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進的技術和多功能設計，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強有力的支持。

• 光源等級：A+AA+，光譜匹配度A+級，均勻性A級，長時間穩定性A+級
• 有效光斑大小:≥250*250mm（可定制）
• 光強可調節: 0.2-1.5sun，以0.1sun為步進可依次調節
• 功率獨立可控：300-400 nm/400-750 nm/750-1200 nm

美能MPPT多通道電池測試系統采用A+AA+級LED太陽光模擬器作為老化光源，通過模擬真實的光照條件，對鈣鈦礦/硅疊層電池性能提升提供精確的測試和穩定性驗證工具。

原文參考：Efficient perovskite/silicon tandem with asymmetric self-assembly molecule

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