鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在效率與穩(wěn)定性之間常存在權(quán)衡問題。化學(xué)惰性低維（CLLD）鹵化金屬酸鹽界面因其結(jié)構(gòu)中引入低反應(yīng)活性的大體積陽離子，有望同時實現(xiàn)高導(dǎo)電性與高穩(wěn)定性，但其制備面臨兩大挑戰(zhàn)：一是低反應(yīng)活性陽離子難以與底層三維（3D）鈣鈦礦反應(yīng)形成低維結(jié)構(gòu)；二是其前驅(qū)體在正交溶劑（如乙腈）中溶解度低，難以通過傳統(tǒng)方法制備。美能鈣鈦礦復(fù)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(jìn)行控溫并控制電池所處的環(huán)境氛圍，進(jìn)行長期的穩(wěn)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(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)低維界面作為模板，通過有機陽離子交換過程，驅(qū)動更穩(wěn)定的CLLD界面生長。該方法成功克服了傳統(tǒng)半前驅(qū)體（HP）和全前驅(qū)體（FP）方法的局限性，無需高反應(yīng)活性陽離子，也不依賴前驅(qū)體在乙腈中的高溶解度。

界面工程現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

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界面工程是優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池性能的關(guān)鍵技術(shù)，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(gòu)成。根據(jù)與3D鈣鈦礦的反應(yīng)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(yīng)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(yīng)形成“傳統(tǒng)低維界面”。這類界面的導(dǎo)電性優(yōu)于絕緣有機鹽，但高反應(yīng)性會導(dǎo)致電池穩(wěn)定性大幅下降；

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

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

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(xué)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(wěn)態(tài)二維鈣鈦礦層作為模板，通過有機陽離子交換實現(xiàn)CILD界面的可控生長，通過結(jié)構(gòu)演化分析和DFT計算，揭示STG策略的內(nèi)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(wěn)態(tài)二維（2D）PA?PbI?（PA為苯銨離子）作為模板層。

中間相形成：將目標(biāo)低反應(yīng)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(dǎo)PA?選擇性溶出，同時目標(biāo)陽離子插入，形成PbI?–(PiEA)I?等中間相。

目標(biāo)界面形成：通過后續(xù)退火處理，中間相轉(zhuǎn)化為目標(biāo)CLLD界面結(jié)構(gòu)，如(PiEA)PbI?。

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

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

結(jié)構(gòu)與光電性能表征驗證

所研究的3D/2D結(jié)構(gòu)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(jīng)STG處理后，該峰消失，出現(xiàn)目標(biāo)(PiEA)PbI?在8.5°處的衍射峰和545nm處的激子吸收峰；

GIWAXS顯示目標(biāo)2D層具有混合取向（面內(nèi)與面外共存），有利于電荷傳輸；

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

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(jié)構(gòu)與制備

采用p-i-n結(jié)構(gòu)制備3D / STG - 目標(biāo)2D鈣鈦礦太陽能電池，具體結(jié)構(gòu)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(biāo)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(jié)構(gòu)PSCs表現(xiàn)出優(yōu)異性能：

統(tǒng)計分析顯示，3D/模板2D電池的光電轉(zhuǎn)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(biāo)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(yōu)電池的PCE達(dá)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(jīng)新加坡太陽能研究所獨立驗證，測試結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)高度一致，相對偏差小于3 %；

大面積（1.235 cm2）電池的PCE達(dá)到25.1 %，V?c=1.198 V，F(xiàn)F=83.3 %，J?c=25.2 mAcm?2，展現(xiàn)出良好的面積擴展性；

低溫性能測試顯示，在215K時電池PCE達(dá)到27.1 %，V?c=1.261 V，F(xiàn)F=82.5 %，J?c=26.0 mAcm?2，為近地空間和極地地區(qū)應(yīng)用提供了可能。

穩(wěn)定性測試

3D/STG-目標(biāo)2D電池表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)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(huán)境中熱老化1100小時后，初始效率保留率超過98%；

與傳統(tǒng)2DPEA?PbI?界面層相比，STG-目標(biāo)2D界面層對3D鈣鈦礦的保護(hù)作用更顯著，能有效抵御環(huán)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(wěn)態(tài)模板+陽離子交換”的創(chuàng)新思路，突破了化學(xué)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(xiàn)25.1%的高效率，同時具備優(yōu)異的長期運行穩(wěn)定性和熱穩(wěn)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(wěn)定、低成本、規(guī)模化的鈣鈦礦光伏技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，有望推動鈣鈦礦太陽能電池向?qū)嶋H應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。

鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀

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美能鈣鈦礦復(fù)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(jìn)的技術(shù)和多功能設(shè)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(biāo)準(zhǔn)

多型號電子負(fù)載可選，多通道獨立運行

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

美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀主要應(yīng)用于成品鈣鈦礦單結(jié)，疊層成品電池穩(wěn)定性測試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環(huán)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(tǒng)始終以最優(yōu)功率輸出。這不僅能最大化發(fā)電量，還能提升整個光伏系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

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

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