寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池是突破硅電池效率極限、構建高效硅基疊層器件的關鍵。然而，該類電池在實際應用中面臨兩大耦合難題：在埋底界面處，空穴傳輸層在粗糙的織構硅表面難以實現均勻覆蓋，導致界面接觸不良和載流子提取效率低下；在鈣鈦礦體相內，高溴含量引發的快速結晶過程易產生相分離和大量缺陷，嚴重制約器件的開路電壓與運行穩定性。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。

本研究提出了一種基于氰基乙酸（CA）的協同調控策略，利用其羧基（-COOH）錨定基底、氰基（-CN）鈍化缺陷的雙功能特性，同時優化自組裝單分子層覆蓋率和鈣鈦礦薄膜質量，最終實現了效率為32.43%的織構硅/鈣鈦礦疊層電池，并顯著提升了器件穩定性。

寬帶隙鈣鈦礦面臨的雙重挑戰

Millennial Solar

硅/鈣鈦礦疊層太陽能電池被認為是突破單結電池效率極限的關鍵技術，尤其是與工業化的織構硅基底結合時，兼具高效率潛力和良好的產業兼容性。然而，在非平面的織構硅表面制備高性能疊層電池面臨兩大難題：

首先，在粗糙的金字塔絨面上形成均勻、緊密的空穴傳輸層與鈣鈦礦吸收層接觸十分困難，容易引發局部漏電和載流子提取效率低下；

其次，寬帶隙鈣鈦礦本身因高溴含量，在結晶過程中易產生相分離和大量缺陷，嚴重影響器件的開路電壓和運行穩定性。

自組裝單分子層因其高效的載流子提取能力而被廣泛用作空穴傳輸層，但常用的Me-4PACz分子在沉積時容易聚集，導致覆蓋不完全，同時其疏水性使得鈣鈦礦前驅體溶液難以在其表面均勻鋪展，進一步加劇了界面處的非輻射復合和體相結晶的不均勻性。

氰基乙酸(CA)的雙功能調控機制

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(a) 對照組器件與CA增強器件的結構示意圖對比(b)光電轉換效率統計分布圖(c)J-V曲線及參數

氰基乙酸（CA）是一種含有羧基（-COOH）和氰基（-CN）的雙功能小分子。研究團隊將其同時引入Me-4PACz溶液和鈣鈦礦前驅體中，旨在發揮其橋梁和鈍化作用。

在埋底界面處：CA的羧基（-COOH）能夠錨定在氧化銦錫（ITO）基底上，同時氰基與Me-4PACz的膦酸基團相互作用，形成分子間橋接，有效抑制了Me-4PACz的聚集，顯著提升了自組裝單分子層的覆蓋均勻性和界面能態一致性。

在鈣鈦礦體相內：CA的氰基（-CN）能夠與欠配位的鉛離子（Pb2?）配位，并穩定鹵素離子，從而鈍化缺陷、減緩結晶速率，最終形成更致密、均勻且缺陷密度更低的鈣鈦礦薄膜。

界面調控：自組裝單分子層均勻性與相互作用

(a)混合溶液的13C核磁共振譜(b) 薄膜的P 2p XPS譜圖(c)薄膜的O 1s XPS譜圖(d) SAM和(e) SAM+CA的表面電勢分布圖，(f) 相應的接觸電勢差（CPD）分布；金字塔織構硅襯底上(g, i) SAM和(h, j) SAM+CA薄膜的HAADF-STEM圖像

為了驗證CA在界面處的調控作用，研究團隊進行了一系列表征。核磁共振碳譜（13C NMR）顯示，CA與Me-4PACz混合后，其特征峰發生位移，證實了兩者之間存在直接的分子間相互作用。X射線光電子能譜（XPS）分析進一步發現，CA的引入增強了Me-4PACz與ITO基底之間的化學吸附（In-O-P/In-O-H鍵合比例顯著增加），表明CA確實充當了分子橋，強化了界面結合。

KPFM的表征結果顯示，引入CA后，自組裝單分子層薄膜的表面接觸電勢差（CPD）分布半高寬從45 mV收窄至24 mV，表明界面能態紊亂被有效抑制，均勻性顯著提升。更直觀的證據來自高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡圖像：在金字塔織構硅襯底上，對照組的自組裝單分子層覆蓋不完整，而CA修飾后的樣品則呈現出一層連續、均勻的暗色層，證明CA在粗糙表面上同樣能促進自組裝單分子層的均勻覆蓋。

體相調控：鈣鈦礦薄膜質量與能態均勻性

SAM和SAM+CA+bulk鈣鈦礦薄膜(a) Pb 4f XPS譜圖(b) I 3d XPS譜圖；(c) SAM和(d) SAM+CA+bulk樣品的鈣鈦礦薄膜頂視圖SEM圖像；(e) SAM和(f) SAM+CA+bulk樣品的埋底HTL/鈣鈦礦界面SEM圖像；(g) SAM和(h) SAM+CA+bulk樣品的鈣鈦礦薄膜截面SEM圖像；(i) SAM和(j) SAM+CA+bulk樣品的表面電勢分布圖，(k) 相應的CPD分布

在鈣鈦礦體相中，XPS分析顯示，CA的引入使得Pb 4f峰向低結合能方向移動，表明氰基與欠配位Pb2?發生了配位，從而鈍化缺陷并穩定了Pb-I鍵合環境。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像清晰地展示了CA對薄膜形貌的改善：對照組鈣鈦礦薄膜晶界處存在大量明亮的殘余碘化鉛（PbI?），且埋底界面處存在許多由非均勻成核引起的納米 voids；而CA修飾后的薄膜晶界干凈，界面致密無 voids，截面圖像也顯示出更均勻的晶體結構和更少的缺陷。

KPFM對鈣鈦礦頂表面的測試同樣證實了能態均勻性的提升：對照組的接觸電勢差分布呈現寬而雙峰的形態（半高寬47 mV），而CA優化后的薄膜則呈現窄而單峰的分布（半高寬24 mV），表明其光電性質的均質性顯著增強。

機理探究：缺陷抑制與非輻射復合的減少

(a) 實驗J-V曲線（圓圈）及其使用修正細致平衡模型（插圖）的擬合曲線（實線）；(b) 從J-V擬合中得到的PCE損失分解；(c-e) DLTS缺陷分析；(f)ELQY測量結果；(g)反向擊穿電壓測量結果

為定量解析性能提升的機理，研究團隊采用修正的細致平衡模型對J-V曲線進行了擬合分析。結果顯示，CA的引入系統性地抑制了表面和體相的非輻射復合。僅在自組裝單分子層中加入CA，表面復合損失就降低了46%，串聯電阻損失也大幅下降；當CA同時加入體相后，表面和體相的復合損失進一步降低，證實了CA通過先優化界面、再穩定體相的協同路徑來提升器件性能。

深能級瞬態光譜（DLTS）探測到了深能級缺陷態的變化。在對照組器件中，檢測到了一個電子陷阱（D1）和一個空穴陷阱（D2）；而在CA全面優化的器件中，空穴陷阱完全消失，僅存的一個電子陷阱（D3）雖然能級相近，但其俘獲截面小了一個數量級以上。這表明CA有效鈍化了與鹵素間隙、欠配位鹵素離子等相關的深能級缺陷，從而抑制了陷阱輔助的非輻射復合和離子遷移。

這一結論得到了電致發光量子效率（ELQY）測試和反向偏壓測試的支持：優化后器件的ELQY是對照組的4.7倍，反向擊穿電壓也從-5.52 V提升至-9.61 V，顯示出更強的界面魯棒性和缺陷抑制能力。在65°C下的最大功率點追蹤（MPP）測試中，優化后器件在1000小時后仍能保持96.5%的初始效率，而對照組在400小時后已衰減至80%左右。

織構疊層器件中的性能驗證

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織構硅/鈣鈦礦疊層電池的(a)器件結構示意圖(b)截面SEM圖像；(c)冠軍疊層器件的J-V曲線及穩態PCE（通過超過300秒的MPP追蹤確定）；(d)疊層器件的PCE分布圖；(e)電池的EQE譜以及1-反射率（記為1-R）；(f) 長期運行穩定性（MPP追蹤）；(g-j) 在1 V偏壓下，器件金字塔尖頂區域的截面KPFM圖像及電勢分布剖面圖

基于CA在織構硅襯底上表現出的優異界面調控能力，研究團隊將其應用于織構硅/鈣鈦礦疊層太陽能電池。優化后的疊層器件冠軍效率達到32.43%（開路電壓1.983 V，短路電流密度19.83 mA/cm2，填充因子82.50%），顯著高于對照組的30.78%，并獲得了獨立認證機構31.70%的穩態效率確認。

更重要的是，優化后的疊層器件在空氣中連續MPP追蹤1000小時后，仍能保持93%的初始效率，而對照組在550小時后僅剩82%。

通過截面KPFM測試，研究團隊進一步揭示了性能提升的內在原因。結果顯示，CA優化后的器件在空穴傳輸層/鈣鈦礦和鈣鈦礦/電子傳輸層界面處的電場分布更均勻，尤其在金字塔絨面的尖頂和谷底區域，界面電場峰值比更接近，表明CA實現了不同幾何區域更平衡、更高效的電荷分離和提取。

本研究提出的氰基乙酸雙功能協同調控策略，通過分子層面的設計，同時解決了寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池中埋底界面不均勻和體相缺陷嚴重兩大核心問題。該策略不僅顯著提升了單結和疊層器件的效率與穩定性，更提供了一種構建能量上連貫、缺陷容忍的界面與體相結構的設計思路，為未來高性能光電器件的可控制備和產業化應用提供了重要指導。

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：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：Unified Interface–Bulk Enhancements in Wide-Bandgap Perovskites Enabled by Bifunctional Cyanoacetic Acid for Textured Silicon/Perovskite Tandem Solar Cells

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