工業TOPCon技術已成為晶硅光伏市場主流，其薄硅片（~130 μm）雖降本但熱導率極高（148W/mK），導致鈣鈦礦退火時熱量傳遞過快、結晶速度較玻璃基底加快三倍。這種急速結晶引發界面空洞、鹵化物偏析和嚴重的非輻射復合，使傳統“無機調控”策略失效。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。

研究團隊引入2-巰基苯并噻唑（MBT），其雜環氮原子和巰基能與鈣鈦礦主要有機陽離子FA?形成氫鍵和靜電雙重作用，通過“有機調控”延緩中間相轉化、延長結晶窗口。優化后薄膜陷阱輔助復合速率從3.2×10? cm?1降至4.3×10? cm?1，最終兩端鈣鈦礦/TOPCon疊層電池實現32.76%認證穩定效率，并在1700小時連續運行后保持91%初始性能，為鈣鈦礦融入主流硅技術提供了關鍵路徑。

快速熱傳導誘發結晶缺陷

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a玻璃和晶體硅基底的厚度與熱導率特性概覽b 模擬的玻璃和晶體硅基底上的退火溫度曲線c加熱第一秒時，玻璃和晶體硅基底上的三維溫度分布圖d-e在玻璃和晶體硅基底上結晶過程中，PL光譜顯示的發射峰演變F-g鈣鈦礦薄膜在玻璃和晶體硅上的截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像h鈣鈦礦在玻璃和晶體硅基底上結晶機制的示意圖

研究首先通過熱模擬證實了這一點。將基底置于熱板上，130微米厚的硅片在10秒內即可達到目標溫度，而1.1毫米厚的玻璃則需要40秒以上。在最初的5秒內，硅片表面溫度已飆升至98 °C，而玻璃僅為65 °C。

這種差異直接影響了結晶過程。原位光致發光（PL）追蹤顯示，在玻璃上，鈣鈦礦的結晶是一個持續超過15秒的“漸進式”過程；而在硅上，這一過程被壓縮至短短5秒，速度快了三倍。這種急速結晶導致薄膜形貌惡化，截面電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，在硅片上制備的薄膜底部（即埋底界面）存在大量微觀空隙，而玻璃上的薄膜則致密無瑕。進一步實驗證實，正是硅片的快速熱傳導導致了頂層過早固化，將殘余溶劑封堵在薄膜底部，最終形成了這些有害的空隙。

通過雙模式結合FA?的配體優化結晶過程

a配體分子的靜電勢（ESP）映射圖bMBT與FA陽離子之間雙模式氫鍵和靜電相互作用的示意圖c-d核磁共振（NMR）光譜e有無MBT的鈣鈦膜在退火初期結晶過程中的原位掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）圖譜f 添加MBT后通過調控FA陽離子實現結晶延緩的機制示意圖

研究者提出了一種創新的“有機調控”思路。傳統方法多集中于使用與無機鉛（Pb2?）強配位的添加劑（如DMSO）來調控結晶，即“無機調控”。但在快速升溫的硅片上，這種調控力度已顯不足。研究團隊另辟蹊徑，將目標鎖定在鈣鈦礦中占比最高的有機陽離子——甲脒（FA?）上。

研究發現，2-巰基苯并噻唑（MBT）是一種理想的候選物。理論計算和核磁共振（NMR）分析表明，MBT分子具有獨特的雙模式結合能力：其雜環上的氮原子可以與FA?中的氫形成氫鍵，而其巰基上的氫原子則能與FA?發生靜電相互作用。這種雙重作用使得MBT能與FA?形成比單一作用更穩定的結合。更重要的是，DFT計算顯示MBT更傾向于與FAI結合，而非與PbI?結合，這確保了其“有機調控”的主導地位。

掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）揭示了MBT的作用機制：添加MBT后，鈣鈦礦的中間相在退火過程中存留時間顯著延長。這表明，MBT通過穩定FA?，延緩了中間相向最終鈣鈦礦相的轉化，從而有效“踩下了結晶的剎車”，讓晶體能夠更從容、更均勻地生長。

薄膜質量與光電性能的全面提升

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a-d對照和目標薄膜的埋底界面頂視圖（左）和截面形貌（右）的SEM圖像e-f穩態共聚焦光致發光（PL）圖譜g-h高光譜成像圖i-j不同載流子濃度下對照和目標樣品的時間分辨光致發光（TRPL）衰減曲線k-l光致發光量子產率（PLQY）及iV?c的光電性能對比

得益于更平緩的結晶過程，MBT處理的鈣鈦礦薄膜質量得到了全面改善：

形貌優化：SEM圖像顯示，原先在硅片上常見的界面空隙被徹底消除，薄膜更加致密、均勻。原子力顯微鏡（AFM）也證實其表面更光滑。

成分與能級均勻：高光譜成像和元素分布圖顯示，MBT薄膜的發光峰位和元素分布更為均勻，而對照樣品則出現明顯的紅移和成分不均，這通常與快速結晶導致的降解有關。開爾文探針力顯微鏡（KPFM）也證實其表面電勢分布更均勻。

缺陷與復合大幅減少：時間分辨光致發光（TRPL）顯示，MBT薄膜的載流子壽命是對照組的三倍。更為關鍵的是，通過變注量TRPL提取的陷阱輔助復合速率，從對照組的3.2×10? cm?1 驟降至MBT組的4.3×10? cm?1，達到領域內領先水平。這直接證明了非輻射復合被極大抑制。

光致發光量子產率（PLQY）提升：在完整器件結構中，MBT薄膜的PLQY從0.15%躍升至1.80%，對應的隱含開路電壓（iV?c）超過1.29 V，比對照組高出60 mV，創下了寬帶隙鈣鈦礦用于硅基疊層的新紀錄。

器件應用：創紀錄的疊層電池性能

a疊層器件結構的示意圖b疊層器件的截面SEM圖像c對照和目標疊層器件的電流密度-電壓（J?VJ?V）特性曲線d-e 對照和目標器件的 Voc和PCE統計分布f 近期文獻中報道的頂級的單塊型鈣鈦礦/TOPCon疊層太陽能電池PCE總結g認證的穩態效率輸出，在最大功率點追蹤（MPPT）300秒后測得h封裝的對照和目標疊層器件在ISOS-L-1協議下的MPPT穩定性曲線

將優化后的鈣鈦礦頂電池與工業級TOPCon硅底電池集成，制備了兩端疊層器件。MBT處理的目標器件展現出顯著優勢：

效率突破：最佳器件的開路電壓（V?c）從1.90 V提升至1.95 V，填充因子（FF）從80.35%提升至83.78%，推動功率轉換效率（PCE）從31.28%躍升至33.62%。

權威認證：經國家光伏產業計量測試中心NPVM獨立認證，器件獲得了32.54 %的準穩態效率，并在300秒最大功率點追蹤后測得32.76 %的穩定效率。這是目前鈣鈦礦/TOPCon疊層電池的最高認證穩定效率之一。

穩定性優異：在ISOS-L-1協議下（室溫，85%相對濕度）進行最大功率點追蹤，MBT處理的封裝器件在連續運行近1700小時后，仍能保持初始效率的91%，遠超對照組，證明了該策略在提升穩定性方面的巨大潛力。

本研究深刻揭示了工業級薄硅基底上鈣鈦礦結晶過快的問題根源，并提出了通過MBT雙模式結合FA?有機陽離子來“減速提質”的創新策略。該策略有效優化了鈣鈦礦薄膜的形貌、成分和光電性能，最終在工業TOPCon硅片上實現了創紀錄的高效穩定疊層電池。這項工作不僅為理解基底特異性結晶行為提供了新視角，也為鈣鈦礦技術融入主流光伏制造開辟了可行道路。研究者相信，該策略有望通過可擴展的溶液法應用于未來的工業生產中。

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀

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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：Additive-assisted perovskite crystallization on industrial TOPCon silicon for tandem solar cells with improved efficiency

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