全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)室小面積電池的效率已達(dá)28%，但其向模塊化（>20 cm2）發(fā)展時(shí)面臨顯著效率損失，認(rèn)證效率目前僅為21.7%。該問(wèn)題主要源于窄帶隙鉛錫（Pb-Sn）鈣鈦礦在氣助刮涂過(guò)程中結(jié)晶過(guò)快導(dǎo)致大面積薄膜不均勻，以及埋底鈣鈦礦/空穴傳輸層（HTL）界面存在嚴(yán)重的非輻射復(fù)合損失。美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀通過(guò)無(wú)接觸式測(cè)試，監(jiān)測(cè)各個(gè)工藝段中的異常，了解單節(jié)疊層鈣鈦礦電池的缺陷分布信息。

本研究從Good's生化緩沖劑列表中篩選出AAH作為多功能添加劑。AAH具有強(qiáng)配位能力、近中性pKa、高極性溶劑溶解性及短鏈結(jié)構(gòu)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦結(jié)晶動(dòng)力學(xué)調(diào)控與埋底界面鈍化，為解決全鈣鈦礦疊層電池模塊化效率損失問(wèn)題提供關(guān)鍵方案。

大面積均勻鈣鈦礦薄膜的制備

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工藝優(yōu)化：溶劑比例與窗口拓寬

刮涂型 Pb-Sn 鈣鈦礦薄膜及太陽(yáng)能電池的均勻性

（A）不同工藝窗口下SEM圖像（B）光致發(fā)光（PL）圖像（比例尺：歸一化PL強(qiáng)度）（C）對(duì)照PSCs與含 AAH PSCs的性能均勻性及J-V曲線計(jì)算得出的性能參數(shù)離散度

首先確定溶劑最優(yōu)配比：二甲基甲酰胺（DMF）與二甲基亞砜（DMSO）按 9:1（體積比）混合時(shí)，薄膜形貌最規(guī)整，不當(dāng)比例會(huì)導(dǎo)致孔洞。定義刮涂工藝窗口（Δt）=刮涂時(shí)間（Δt?）+濕膜轉(zhuǎn)移至加熱臺(tái)時(shí)間（Δt?），對(duì)照墨水的工藝窗口極窄，易出現(xiàn)針孔；而添加 AAH 后，工藝窗口從10秒延長(zhǎng)至100秒，成功制備出無(wú)針孔、晶粒垂直取向的大面積薄膜（Pb-Sn鈣鈦礦薄膜）。在6×6 cm2基板上制備的薄膜表現(xiàn)出高度均勻的光致發(fā)光特性，基于該薄膜的電池效率分布集中，平均效率達(dá)20.8 %（對(duì)照僅 17.2 %）。

機(jī)制解析：AAH 如何調(diào)控結(jié)晶？

拓寬工藝窗口的作用機(jī)制

（A）墨水中分子間鍵合的示意圖（B）鈣鈦礦薄膜中 Pb 4f 與 Sn 3d 的 XPS圖（C）DMF及 DMF-AAH 體系的FTIR光譜（D）不同延遲時(shí)間下GC分析結(jié)果

通過(guò)多種表征手段，揭示了 AAH 的作用機(jī)制：XPS顯示，AAH 與 Pb2?、Sn2?形成 Lewis 酸堿加合物，降低了金屬離子的結(jié)合能，提升了無(wú)機(jī)鹽溶解度，減緩結(jié)晶速度；FTIR和DFT證明AAH 通過(guò)氫鍵與 DMF 結(jié)合，減少溶劑揮發(fā)；氣相色譜（GC）驗(yàn)證，AAH 能讓濕膜中的 DMF 保留更久，為均勻結(jié)晶爭(zhēng)取時(shí)間；NMR顯示AAH 與甲脒碘（FAI）的有機(jī)陽(yáng)離子存在相互作用，進(jìn)一步抑制結(jié)晶紊亂。關(guān)鍵結(jié)論是 AAH?（而非 Cl?）通過(guò)多維度分子間作用，實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶調(diào)控。

埋底界面鈍化

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刮涂型 Pb-Sn 鈣鈦礦薄膜及太陽(yáng)能電池的光電子性能

（A）TOF-SIMS分析結(jié)果（B）光致發(fā)光（PL）光譜（C）TRPL光譜（D）PSCs與含 AAH PSCs的光伏性能對(duì)比（E）最優(yōu) Pb-Sn PSCs的J-V曲線

AAH在掩埋界面的富集

AAH在極性溶劑中溶解度高，結(jié)合鈣鈦礦 “自上而下” 的結(jié)晶方向，它會(huì)逐漸遷移至薄膜底部。TOF-SIMS顯示：從鈣鈦礦薄膜頂部到底部，AAH?含量持續(xù)增加，最終在鈣鈦礦 / PEDOT:PSS 掩埋界面富集，還能提升兩層材料的附著力。

界面性能的顯著改善

載流子壽命延長(zhǎng)：含 AAH 薄膜的光致發(fā)光（PL）強(qiáng)度更高，時(shí)間分辨 PL（TRPL）壽命從對(duì)照的 “頂部 134.3ns / 底部 76.2ns” 提升至 “頂部 595.0ns / 底部 551.4ns”，證明載流子捕獲減少；

非輻射復(fù)合抑制：電致發(fā)光量子產(chǎn)率（ELQY）從 0.15%（對(duì)照）提升至 1.68%，對(duì)應(yīng)開(kāi)路電壓（Voc）損失從 168mV 降至 106mV；

界面損失主導(dǎo)性驗(yàn)證：對(duì)比純鈣鈦礦、HTL - 鈣鈦礦、HTL - 鈣鈦礦 - 電子傳輸層（ETL）的電壓損失發(fā)現(xiàn)，含 AAH 樣品在 HTL 界面的損失僅 23mV（對(duì)照 42mV），證實(shí)AAH 主要抑制了掩埋界面的非輻射復(fù)合。

Pb-Sn電池的光伏性能

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采用AAH的刮涂Pb-Sn電池（0.049 cm2）實(shí)現(xiàn)了21.4%的最高效率（穩(wěn)態(tài)21.1%），平均效率為20.3%，且批次一致性高（標(biāo)準(zhǔn)差0.5%）。

全鈣鈦礦疊層組件的性能與穩(wěn)定性

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全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池及組件的光伏性能

（A）SEM圖像（B）含 AAH 與不含 AAH 全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的光伏性能對(duì)比（C）最優(yōu)含 AAH 疊層電池的EQE曲線（D）FF與GFF隨子電池寬度的變化關(guān)系（E）最優(yōu)激光刻劃疊層組件J-V曲線（F）最優(yōu)疊層組件的J-V曲線（G）MPP跟蹤結(jié)果

組件結(jié)構(gòu)與效率突破

全鈣鈦礦疊層組件采用 “寬帶隙（WBG）鈣鈦礦 + Pb-Sn NBG 鈣鈦礦” 結(jié)構(gòu)：

WBG子電池優(yōu)化：在 NiO HTL 表面引入自組裝單分子層，減少表面復(fù)合，1.05 cm2 WBG PSC 效率達(dá) 17.9%；

疊層電池性能：380nm 厚 WBG 層與 1000nm 厚 NBG 層結(jié)合，1.05cm2 疊層電池效率達(dá) 26.8%（Voc=2.15V，Jsc=15.5mA/cm2，F(xiàn)F=80.5%）；

大面積組件表現(xiàn)：在 6×6cm 基板上，將子電池寬度優(yōu)化至 5.625mm，死區(qū)寬度僅 220μm，40 個(gè)組件平均效率 23.3±0.7%；最優(yōu)組件有效面積 20.25cm2，認(rèn)證效率 24.5%（活性面積效率 25.9%），即便擴(kuò)大至 64cm2，效率仍保持 23.8%，為當(dāng)前鈣鈦礦小型組件最高值。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性驗(yàn)證

封裝模塊表現(xiàn)出良好的運(yùn)行穩(wěn)定性：

工作穩(wěn)定性：在50℃、30%-50% RH 環(huán)境中，采用FAMA鈣鈦礦的模塊T80壽命為330小時(shí)。采用無(wú)MA的FACs成分后，T80壽命延長(zhǎng)至656小時(shí)。

環(huán)境穩(wěn)定性：85% RH 下 2000h 仍保留90% 效率，85℃+85% RH 濕熱測(cè)試 200h 保留80% 效率，-40℃至 85℃熱循環(huán) 200 次保留86% 效率，滿足實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)要求。

本研究通過(guò)引入AAH添加劑，協(xié)同解決了Pb-Sn鈣鈦礦結(jié)晶不均勻和埋底界面復(fù)合兩大關(guān)鍵難題，成功將大面積全鈣鈦礦疊層模塊的效率推高至24.5%。未來(lái)，通過(guò)優(yōu)化光管理、增厚吸收層、減少死區(qū)面積以及開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展的界面鈍化技術(shù)，有望進(jìn)一步將效率提升至30%，并持續(xù)改善模塊的長(zhǎng)期耐久性。

美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀

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大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀通過(guò)非接觸、高精度、實(shí)時(shí)反饋等特性，系統(tǒng)性解決了太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中的速度、良率、成本、工藝優(yōu)化與穩(wěn)定性等核心痛點(diǎn)，并且結(jié)合AI深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識(shí)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(shí)清晰呈現(xiàn)高亮區(qū)域（如無(wú)缺陷區(qū)）與低亮區(qū)域（如缺陷暗斑）

高速在線PL檢測(cè)缺陷：檢測(cè)速度≤2s，漏檢率< 0.1%；誤判率< 0.3%

AI缺陷識(shí)別分類訓(xùn)練：實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識(shí)別與工藝反饋

美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀采用無(wú)接觸式測(cè)試方式，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鈣鈦礦電池各工藝段中的薄膜質(zhì)量異常，精準(zhǔn)定位單結(jié)及疊層電池中的缺陷分布。該技術(shù)通過(guò)高分辨率光致發(fā)光（PL）成像，有效評(píng)估AAH添加劑改善Pb-Sn鈣鈦礦薄膜均勻性、降低界面復(fù)合損失的效果，為工藝優(yōu)化與性能提升提供了可靠的檢測(cè)依據(jù)。

原文參考：Homogeneous crystallization and buried interface passivation for perovskite tandem solar modules

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