鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池憑借其可調帶隙和強光吸收能力，是突破單結電池效率極限的理想候選。然而，頂電池鈣鈦礦層中因結晶不完全而殘留的PbI?，會引入非輻射復合中心、結構不均和界面失穩，嚴重制約電池性能。美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過無接觸式測試，監測各個工藝段中的異常，了解單節疊層鈣鈦礦電池的缺陷分布信息。

本研究開發了一種基于二甲亞砜與氯苯混合溶劑體系的化學拋光策略，能夠選擇性溶解并去除表面PbI?，同時不破壞鈣鈦礦晶格完整性。該方法顯著降低了薄膜的陷阱態密度，促進了晶界融合，增強了光致發光強度，并延長了載流子壽命。最終，所制備的2T鈣鈦礦-硅疊層電池獲得了31.71%的認證效率，開路電壓從1.821 V提升至1.839 V，界面復合損失得到顯著抑制。本工作為發展高效、穩定的疊層光伏技術提供了一條簡單有效的界面工程路徑。

實驗材料與制備

Millennial Solar

材料

實驗所用氧化鎳（NiO?）納米晶分散液、（4-（3,6 - 二甲基 - 9H - 咔唑 - 9 - 基）丁基）膦酸（Me-4PACz）、甲脒碘（FAI）、碘化銫（CsI）、碘化鉛（PbI?）、溴化鉛（PbBr?）、氧化錫（SnO?）前驅體、銦鋅氧化物（IZO）濺射靶材、氧化銦錫（ITO）導電玻璃等均為分析純及以上級別，直接使用未進一步純化。

電池制備

硅底電池：采用 170 μm厚n型硅片，經織構化、RCA 清洗、硼擴散、鈍化層沉積、ITO濺射和銀漿印刷等步驟制備，定義1.0 cm2活性區域。

鈣鈦礦頂電池：ITO基板經清洗和氧等離子體處理后，依次制備NiO?/Me-4PACz雙空穴傳輸層和AEAPTMS鈍化層；將 FAI、CsI、PbBr?、PbI?溶解在DMF/DMSO混合溶劑中（添加 3 mol% MACl），旋涂并滴加苯甲醚反溶劑，100℃退火形成鈣鈦礦層；采用1.6 : 100體積比的DMSO-CB混合溶劑旋涂拋光（3000 rpm，30 秒），100℃退火10分鐘（可重復1-2 次）；最后沉積SnO?緩沖層、IZO透明電極和銀頂電極，完成疊層電池制備。

表征測試

采用AAA級太陽能模擬器和Keithley 2450源表測試光伏性能；通過SEM/EDS表征形貌與元素分布；利用XRD和XPS分析晶體結構與化學狀態；采用穩態PL、TRPL和PLmapping 測試光學性能；通過EIS和MPP跟蹤評估界面特性與穩定性。所有測試均在室溫受控環境下進行。

實驗結果與討論

Millennial Solar

本研究選用帶隙1.68 eV、組成為Cs的寬禁帶鈣鈦礦薄膜（常用作疊層電池頂電池）作為研究對象，系統探究殘留 PbI?的危害及化學拋光的作用機制。

殘留 PbI?的危害與去除機制

(a) PbI?殘留導致孔隙生成、非輻射復合、短路路徑及離子遷移的示意圖(b)晶界處PbI?聚集的SEM圖像(c) DMSO與CB協同作用下PbI?去除示意圖；PbI?在旋涂過程中溶解，在熱退火過程中溶劑蒸發

研究發現，殘留 PbI?會在鈣鈦礦薄膜的晶界和表面聚集：一方面形成非輻射復合中心，降低開路電壓；另一方面破壞界面連續性，形成短路路徑，還會為離子遷移提供通道，加速電池在光熱應力下的降解。

掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，制備態薄膜的晶界處存在大量樹枝狀 PbI?聚集物，能量色散 X 射線光譜（EDS）分析證實，這些聚集物主要由Pb和I組成，屬于分離的PbI?相而非鈣鈦礦相。

為針對性去除這些殘留物，本研究設計了 DMSO-CB 雙相溶劑體系：DMSO 具有強路易斯堿性，能與 PbI?中低配位的 Pb2?形成可溶性復合物，而鈣鈦礦體相中的 Pb2?因配位緊密，難以被 DMSO 溶解；加入非極性惰性溶劑 CB 后，可稀釋體系極性，進一步避免鈣鈦礦晶格被破壞。通過優化兩者體積比，實現了“只除殘留、不損晶格”的精準拋光效果。

拋光參數優化與薄膜性能改善

(a)初始鈣鈦礦薄膜的表面SEM圖像(b)化學拋光后鈣鈦礦薄膜的SEM圖像(c)化學拋光后鈣鈦礦薄膜的截面SEM圖像及對應的EDS元素分布圖(d)化學拋光后鈣鈦礦薄膜的表面SEM圖像及對應的EDS元素分布圖(e)化學拋光前后鈣鈦礦薄膜的XRD譜圖(f)化學拋光前后鈣鈦礦薄膜的XPS全譜(g)鈣鈦礦薄膜中Pb元素的XPS譜圖

實驗對比了不同體積比（1.4 : 100、1.6 : 100、1.8 : 100）的 DMSO-CB 混合溶劑拋光效果：1.4 : 100比例下 PbI?去除不充分，1.8 : 100比例會導致鈣鈦礦層過度刻蝕，而1.6 : 100比例能在徹底去除 PbI?的同時，保持薄膜表面完整性和晶粒致密性，因此被確定為最優參數。

結構表征結果顯示：拋光前，鈣鈦礦薄膜表面存在大量樹枝狀 PbI?，晶界雜亂；拋光后，PbI?殘留物完全消失，薄膜表面更光滑致密，晶粒尺寸從約560 nm增大至680 nm，晶界密度顯著降低。

EDS 元素 mapping 證實，拋光后 Pb、I、Br、Cs 元素分布均勻，無相分離現象。X 射線衍射（XRD）測試顯示，拋光后 12.7° 處的 PbI?特征峰消失，鈣鈦礦主要衍射峰強度增強，表明結晶度提升且晶格結構未變。X 射線光電子能譜（XPS）測試則顯示，表面Pb含量減少，Pb的配位環境發生優化。

光電性能與電池性能提升

(a) 拋光前后穩態光致發光（PL）光譜對比(d)拋光前后時間分辨光致發光（TRPL）衰減曲線(e)未拋光樣品的空間PL mapping圖像(f)拋光后樣品的空間PL mapping圖像

光學性能測試表明：拋光后鈣鈦礦薄膜的穩態光致發光（PL）強度提升1.5倍，且不同區域的PL響應高度一致，說明非輻射復合被抑制，發光均勻性顯著改善；

時間分辨光致發光（TRPL）測試顯示，載流子壽命從19.67 ns延長至29.97 ns，表明淺陷阱態和深陷阱態均得到有效鈍化；

空間 PLmapping 圖像也證實，拋光后薄膜的發光暗區減少，均勻性大幅提升。

這些改善直接體現在電池性能上：寬禁帶鈣鈦礦單電池效率從20.60 %提升至21.63 %，開路電壓從1.204 V提升至1.218 V。

(a)PSTSCs結構示意圖及光學照片(b)去除PbI?殘留前后，在標準測試條件下的功率-電壓曲線對比(c)去除PbI?殘留后，在標準光照下PSTSCs的電流密度-電壓與功率-電壓特性曲線(d)空氣氛圍中，去除PbI?殘留前后PSTSCs的最大功率點追蹤曲線(e) PSTSCs的外量子效率譜及各子電池積分電流密度(f) PSTSCs的電化學阻抗譜（EIS）圖

對于鈣鈦礦 - 硅疊層電池，拋光后的性能提升更為顯著：標準 AM 1.5G 光照下，短路電流密度從20.51 mA/cm2 提升至21.32 mA/cm2，開路電壓從1.821 V提升至1.839 V，填充因子從79.01 %提升至81.95 %，最終認證光電轉換效率達31.71 %（初始為29.34 %）。

電池的穩定性也大幅改善：最大功率點（MPP）跟蹤測試顯示，空氣環境中長時間運行后，拋光電池仍保留90.2 %的初始功率，而未拋光電池僅保留85.3 %；

J-V滯后特性測試顯示，拋光電池正向與反向掃描效率一致性良好，表明電荷積累和離子遷移被有效抑制。

外量子效率（EQE）光譜證實，頂電池與底電池的積分電流密度匹配良好，電化學阻抗譜（EIS）則顯示界面復合電阻增加，載流子損耗減少，進一步驗證了界面質量的改善。

本研究明確了殘留 PbI?對寬禁帶鈣鈦礦 - 硅疊層電池性能的限制作用，并提出了針對性的界面工程解決方案。基于DMSO-CB混合溶劑的化學拋光技術，通過“選擇性溶解 - 再結晶”機制，徹底去除了晶界和表面的 PbI?殘留物，同時提升了鈣鈦礦薄膜的結晶度、載流子壽命和發光均勻性，且未對晶格造成損傷或引入副產物。最終，疊層電池實現31.71 %的認證效率，且穩定性顯著提升。該方法為解決殘留 PbI?難題提供了簡便高效的技術路徑，也為下一代高性能鈣鈦礦 - 硅疊層光伏技術的發展奠定了基礎。

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀

Millennial Solar

大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過非接觸、高精度、實時反饋等特性，系統性解決了太陽能電池生產中的速度、良率、成本、工藝優化與穩定性等核心痛點，并且結合AI深度學習，實現全自動缺陷識別與工藝反饋。

PL高精度成像：采用線掃激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 顏色灰度：同時清晰呈現高亮區域（如無缺陷區）與低亮區域（如缺陷暗斑）

高速在線PL檢測缺陷：檢測速度≤2s，漏檢率；誤判率

AI缺陷識別分類訓練：實現全自動缺陷識別與工藝反饋

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀采用無接觸式測試方式，可實時監測鈣鈦礦電池各工藝段中的薄膜質量異常，精準定位單結及疊層電池中的缺陷分布。

原文參考：Targeted PbI2 Removal Unlocks 31.71% Efficiency Perovskite-Silicon 2T Tandem Solar Cells

*特別聲明：「美能光伏」公眾號所發布的原創及轉載文章，僅用于學術分享和傳遞光伏行業相關信息。未經授權，不得抄襲、篡改、引用、轉載等侵犯本公眾號相關權益的行為。內容僅供參考，若有侵權，請及時聯系我司進行刪除。