鈣鈦礦太陽能電池因其高效率與低制備成本成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但其商業(yè)化仍面臨界面缺陷、結(jié)晶不均勻及穩(wěn)定性不足等挑戰(zhàn)，其中鈣鈦礦吸收層與電子傳輸層之間的埋底界面缺陷是制約性能與可靠性的關(guān)鍵瓶頸。以SnO?為代表的電子傳輸層雖具有高電子遷移率等優(yōu)點(diǎn)，但其表面固有的氧空位、較差的潤濕性以及不理想的能級匹配，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的界面非輻射復(fù)合和鈣鈦礦結(jié)晶不均勻。美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過無接觸式測試，監(jiān)測各個(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。

本研究提出了一種高效的雙功能界面工程策略：將聚乙烯亞胺（PEI）直接摻入SnO?前驅(qū)體溶液中，通過一步法制備改性電子傳輸層。該策略利用PEI的胺基同時(shí)實(shí)現(xiàn)界面缺陷鈍化與功函數(shù)調(diào)控：一方面鈍化氧空位，抑制電荷復(fù)合；另一方面形成界面偶極，優(yōu)化能級對齊并顯著增強(qiáng)表面潤濕性，從而促進(jìn)高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的生長與高效電荷提取，為制備高效、穩(wěn)定且可擴(kuò)展的鈣鈦礦光伏器件提供了關(guān)鍵解決方案。

材料結(jié)構(gòu)與表面性質(zhì)表征

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（a）PEI修飾SnO?層的形成示意圖（b）SnO?和PEI:SnO?薄膜的N1s（c）Sn3d和（d）O1s XPS譜圖

PEI通過其胺基與SnO?表面羥基的化學(xué)作用發(fā)生質(zhì)子化，形成帶正電的離子自組裝層，有效鈍化氧空位（O?）。XPS分析證實(shí)PEI成功摻入SnO?層，Sn 3d峰向低結(jié)合能位移，表明PEI中胺基的給電子效應(yīng)增強(qiáng)了Sn周圍的電子云密度。O 1s譜顯示PEI修飾后O?/O_L比例降低約20%，說明氧空位得到有效抑制。UPS測量表明SnO?的功函數(shù)從4.3 eV降至4.0 eV，歸因于PEI誘導(dǎo)的界面偶極形成，優(yōu)化了ETL與鈣鈦礦間的能級對齊。

表面形貌與潤濕性

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（a,b）ITO/SnO?與ITO/PEI:SnO?薄膜的AFM圖像（c,d）相應(yīng)的KPFM圖像（e）KPFM測得的SnO?與PEI:SnO?表面電位（f）ITO/SnO?與ITO/PEI:SnO?薄膜的UPS譜圖（g,h）分別為SnO?/鈣鈦礦與PEI:SnO?/鈣鈦礦界面的能帶示意圖

AFM顯示PEI修飾后薄膜粗糙度降低，有利于界面接觸并減少缺陷。KPFM測得PEI: SnO?表面電位提高約110 mV，進(jìn)一步證實(shí)表面缺陷鈍化與電荷密度調(diào)控。接觸角測試表明，PEI修飾使SnO?表面對DMF的接觸角從21.4°降至接近0°，潤濕性顯著提升，粘附功從71.6 mJ/m2增至74.2 mJ/m2，有利于鈣鈦礦溶液的均勻鋪展與高質(zhì)量成膜。

鈣鈦礦薄膜生長與界面特性

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（a）ITO/SnO?與（b）ITO/PEI:SnO?薄膜的接觸角圖像（c,d）分別在ITO/SnO?與（d,f）ITO/PEI:SnO?襯底上沉積的鈣鈦礦薄膜的截面SEM圖像（e,f）相應(yīng)的表面SEM圖像（g,h）分別為在ITO/SnO?與ITO/PEI:SnO?襯底上涂覆的鈣鈦礦薄膜的導(dǎo)電AFM圖像

SEM顯示在PEI:SnO?上沉積的鈣鈦礦薄膜界面更平整、晶粒更大（平均尺寸從693 nm增至817 nm），且晶粒尺寸分布更均勻。XRD證實(shí)PEI修飾未改變鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電AFM表明PEI修飾后電流響應(yīng)更均勻，提取電流從540 pA提升至620 pA，界面電荷提取能力增強(qiáng)。

載流子動(dòng)力學(xué)分析

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（a）穩(wěn)態(tài)PL與（b）TRPL譜圖：玻璃/鈣鈦礦、玻璃/SnO?/鈣鈦礦、玻璃/PEI:SnO?/鈣鈦礦薄膜

在不同襯底上沉積的鈣鈦礦薄膜的PL衰減參數(shù)

穩(wěn)態(tài)與時(shí)間分辨光致發(fā)光譜（PL/TRPL）顯示，PEI修飾后鈣鈦礦薄膜的PL強(qiáng)度略有升高，TRPL衰減中慢壽命組分（τ?）延長，表明輻射復(fù)合增強(qiáng)。通過激發(fā)功率依賴的PL分析，PEI:SnO?/perovskite薄膜的k值從1.33提高至1.44，說明非輻射復(fù)合受到抑制。

密度泛函理論模擬

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（a–c）C?NH?分子在SnO?（110）表面的三種不同構(gòu)型（d）未氫鈍化與（e）氫鈍化的5層SnO?（110）襯底的能帶結(jié)構(gòu)（f–h）分別為對應(yīng)（a–c）構(gòu)型#1–3的能帶結(jié)構(gòu)

三種C?NH?構(gòu)型在有/無vdW?DF2修正下的相對總能量差及其功函數(shù)Φ值

采用C?NH?模型分子模擬PEI在SnO?（110）表面的偶極形成行為。計(jì)算表明，特定分子構(gòu)型（Conf. #3）可重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中觀測到的功函數(shù)降低，驗(yàn)證了PEI誘導(dǎo)界面偶極調(diào)控能帶的機(jī)理。

器件性能與穩(wěn)定性

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（a）PSCs的J–V曲線（b）由IPCE數(shù)據(jù)得出的EQE譜（c）在85°C、氮?dú)鈿夥障翽CE隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性（d）包含10個(gè)子電池的鈣鈦礦迷你組件照片（e）鈣鈦礦迷你組件的J–V曲線（f）在25°C、氮?dú)鈿夥障旅阅憬M件PCE隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性測試

PSCs的光伏性能參數(shù)

鈣鈦礦迷你組件的光伏性能參數(shù)

基于PEI:SnO? ETL的小面積PSCs（0.0464 cm2）獲得最佳PCE為24.49 %（ VOC=1.19 V，JSC=25.10 mA/cm2，F(xiàn)F=82.00 %），相比對照組（21.20%）性能顯著提升，且遲滯效應(yīng)減弱。EQE積分電流與J-V測量值吻合良好，Voc的提高主要?dú)w因于缺陷密度降低與界面復(fù)合抑制。光電流分析與激子解離率計(jì)算進(jìn)一步證實(shí)PEI修飾提升了電荷漂移與提取效率。

穩(wěn)定性方面，PEI修飾器件在85°C、N?氣氛下老化1400小時(shí)后仍保持初始PCE的87 %，優(yōu)于對照組的70%。制備的迷你組件（24.8 cm2）效率達(dá)22.56%，在500小時(shí)連續(xù)光照下保持94%的初始性能，最大功率點(diǎn)跟蹤顯示輸出穩(wěn)定。組件效率相較于小面積電池僅下降7.90%，主要源于幾何損失與集成電阻，顯示良好的規(guī)模化潛力。

本研究通過將PEI摻入SnO? ETL，實(shí)現(xiàn)了潤濕性增強(qiáng)與功函數(shù)調(diào)控的雙重目標(biāo)，促進(jìn)了鈣鈦礦均勻結(jié)晶、缺陷鈍化與能級優(yōu)化，從而提升了載流子提取效率并抑制了非輻射復(fù)合。小面積電池與迷你組件分別實(shí)現(xiàn)了24.49 %與22.56 %的高效率，并表現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性與輸出穩(wěn)定性。理論計(jì)算揭示了PEI誘導(dǎo)界面偶極的物理機(jī)制。該策略為鈣鈦礦太陽能電池的界面工程與規(guī)?；苽涮峁┝思婢邫C(jī)理洞察與實(shí)際可行性的解決方案，推動(dòng)鈣鈦礦光伏技術(shù)向商業(yè)化邁進(jìn)。

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(shí)時(shí)反饋等特性，系統(tǒng)性解決了太陽能電池生產(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（如無缺陷區(qū)）與低亮區(qū)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(xùn)練：實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)測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。

原文參考：Dual-Function Interface Engineering of SnO2 Electron Transport Layers: Wettability Enhancement and Work Function Tuning for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells and Minimodules

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