鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在效率與穩定性之間常存在權衡問題。化學惰性低維（CLLD）鹵化金屬酸鹽界面因其結構中引入低反應活性的大體積陽離子，有望同時實現高導電性與高穩定性，但其制備面臨兩大挑戰：一是低反應活性陽離子難以與底層三維（3D）鈣鈦礦反應形成低維結構；二是其前驅體在正交溶劑（如乙腈）中溶解度低，難以通過傳統方法制備。美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀采用AAA級LED太陽光模擬器作為老化光源，可通過多種方式對電池進行控溫并控制電池所處的環境氛圍，進行長期的穩定性能測試。

本文提出一種選擇性模板生長（STG）策略，利用傳統亞穩態低維界面作為模板，通過有機陽離子交換過程，驅動更穩定的CLLD界面生長。該方法成功克服了傳統半前驅體（HP）和全前驅體（FP）方法的局限性，無需高反應活性陽離子，也不依賴前驅體在乙腈中的高溶解度。

界面工程現狀與挑戰

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界面工程是優化鈣鈦礦太陽能電池性能的關鍵技術，目前主流的界面材料由有機大體積陽離子與鹵化物陰離子構成。根據與3D鈣鈦礦的反應性，這些大體積陽離子可分為兩類，卻各自存在明顯缺陷：

高反應性大體積陽離子：如苯乙銨（PEA?）、正丁基銨（BA?）等，能輕松與3D鈣鈦礦反應形成“傳統低維界面”。這類界面的導電性優于絕緣有機鹽，但高反應性會導致電池穩定性大幅下降；

低反應性大體積陽離子：如3-（甲硫基）丙基銨（3MTPA?）、聯苯-4-基甲基銨（BPMA?）等，不易與3D鈣鈦礦反應，通常只能作為“絕緣有機鹽界面”使用。盡管穩定性強，但其極差的導電性嚴重限制了電池效率。

理想的CILD界面需同時具備低維結構的導電性和低反應性的穩定性，卻因制備方法受限難以實現，半前驅體（HP）法因低反應性大體積陽離子與3D鈣鈦礦反應性極低而失效；全前驅體（FP）法受限于CILD界面材料前驅體在乙腈（ACN）等優選正交溶劑中溶解性差的問題，導致CILD界面的制備面臨巨大挑戰。

選擇性模板生長（STG）策略

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在三維鈣鈦礦上生長化學惰性低維界面的潛在溶液可加工策略

選擇性模板生長策略的潛在機理

策略原理與流程

STG策略的核心是利用亞穩態二維鈣鈦礦層作為模板，通過有機陽離子交換實現CILD界面的可控生長，通過結構演化分析和DFT計算，揭示STG策略的內在機制，主要包括四個階段：

模板層制備：在3D鈣鈦礦表面旋涂沉積亞穩態二維（2D）PA?PbI?（PA為苯銨離子）作為模板層。

中間相形成：將目標低反應活性陽離子（如PiEA2?、BPMA?等）溶于醇類溶劑，旋涂于模板層上。醇溶劑誘導PA?選擇性溶出，同時目標陽離子插入，形成PbI?–(PiEA)I?等中間相。

目標界面形成：通過后續退火處理，中間相轉化為目標CLLD界面結構，如(PiEA)PbI?。

純化處理：使用異丙醇清洗去除殘留的PAI和未反應的(PiEA)I?，獲得純凈的3D/CLLD堆疊結構。

研究表明，PA?PbI?因其亞穩態特性，易于被醇溶劑蝕刻并發生陽離子交換，是理想的模板材料。相比之下，更穩定的2D鈣鈦礦（如PEA?PbI?、FPEA?PbI?）難以實現完全交換。

結構與光電性能表征驗證

所研究的3D/2D結構的表征

以典型CILD界面（PiEA）PbI?為研究對象，通過X射線衍射（XRD）、紫外-可見吸收光譜、掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）等手段驗證STG策略的有效性：

模板層PA?PbI?在6.5°處具有特征衍射峰，吸收峰位于500nm；

經STG處理后，該峰消失，出現目標(PiEA)PbI?在8.5°處的衍射峰和545nm處的激子吸收峰；

GIWAXS顯示目標2D層具有混合取向（面內與面外共存），有利于電荷傳輸；

電子遷移率達3.8×10?3cm2V?1s?1，與常用電子傳輸材料PCBM相當。

掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示STG過程對3D鈣鈦礦晶粒無明顯腐蝕，界面層致密且厚度均勻（約40nm）。

原型鈣鈦礦太陽能電池性能

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鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能

電池結構與制備

采用p-i-n結構制備3D / STG - 目標2D鈣鈦礦太陽能電池，具體結構為：玻璃 / ITO或氟摻雜氧化錫（FTO）/ [2-（3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基）乙基]膦酸（ MeO - 2PACZ ）/ 3DCs?.??FA?.??PbI?.?Cl?.?（FA為甲脒鎓）/ STG-目標2D / 苯基-C??-丁酸甲酯（PCBM）/ C?? / 浴銅靈（BCP）/ 銀。同時制備無2D界面層的對照電池和3D / 模板2D-PA?PbI?電池作為對比。

光伏性能測試

基于STG策略制備的p-i-n結構PSCs表現出優異性能：

統計分析顯示，3D/模板2D電池的光電轉換效率（PCE）從對照電池的19.8 % ± 0.5 %提升至20.5 % ± 0.3 %，而3D/STG-目標2D電池的PCE顯著提升至25.1 % ± 0.2 %，主要得益于開路電壓（V?c）從1.042 ± 0.019 V提升至1.204 ± 0.005 V；

小面積（0.06 cm2）最優電池的PCE達到25.6 %，其中V?c=1.200 V，填充因子（FF）=85.2 %，短路電流密度（J?c）=25.0 mAcm?2，經新加坡太陽能研究所獨立驗證，測試結果與實驗數據高度一致，相對偏差小于3 %；

大面積（1.235 cm2）電池的PCE達到25.1 %，V?c=1.198 V，FF=83.3 %，J?c=25.2 mAcm?2，展現出良好的面積擴展性；

低溫性能測試顯示，在215K時電池PCE達到27.1 %，V?c=1.261 V，FF=82.5 %，J?c=26.0 mAcm?2，為近地空間和極地地區應用提供了可能。

穩定性測試

3D/STG-目標2D電池表現出優異的穩定性：

在1個太陽等效白光LED照射下，接近最大功率點（MPP）運行1000小時后，仍保留93%以上的初始效率；

在85℃氮氣環境中熱老化1100小時后，初始效率保留率超過98%；

與傳統2DPEA?PbI?界面層相比，STG-目標2D界面層對3D鈣鈦礦的保護作用更顯著，能有效抵御環境空氣侵蝕。

本研究提出的選擇性模板生長（STG）策略通過“亞穩態模板+陽離子交換”的創新思路，突破了化學惰性低維（CILD）界面的制備瓶頸。基于該策略的鈣鈦礦太陽能電池，在1.235cm2活性面積上實現25.1%的高效率，同時具備優異的長期運行穩定性和熱穩定性。該策略不僅拓展了鈣鈦礦界面材料的選擇范圍，還為高效穩定、低成本、規模化的鈣鈦礦光伏技術發展奠定了基礎，有望推動鈣鈦礦太陽能電池向實際應用邁出關鍵一步。

鈣鈦礦復合式MPPT測試儀

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美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀采用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。

• 3A+光源，光源壽命10000h+，真實還原各場景實際光照條件

可選配恒溫恒濕箱，滿足IS0S標準

多型號電子負載可選，多通道獨立運行

不同波段光譜輸出可調：7.350-400nm/400-750nm/750-1150nm均獨立可控

美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀主要應用于成品鈣鈦礦單結，疊層成品電池穩定性測試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環境因素影響，其最大功率點會頻繁波動。MPPT控制器通過實時追蹤并鎖定最大功率點，能確保系統始終以最優功率輸出。這不僅能最大化發電量，還能提升整個光伏系統的工作穩定性和經濟性。

原文參考：Selective templating growth of chemically inert low-dimensional interfaces for perovskite solar cells

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