寬帶隙鈣鈦礦因混合鹵化物組分具備1.5-2.3 eV可調(diào)帶隙，廣泛應(yīng)用于疊層太陽能電池，但帶隙提升至1.95 eV所需的高溴含量會(huì)導(dǎo)致鹵化物分布不均、相分離加劇及載流子復(fù)合增強(qiáng)，引發(fā)顯著開路電壓損失。單結(jié)鈣鈦礦電池受肖克利-奎瑟極限限制，疊層電池成為效率突破關(guān)鍵，而三結(jié)電池因?qū)拵俄旊姵匦阅芏贪澹瑢?shí)際效率落后于雙結(jié)電池，現(xiàn)有策略仍難解決高溴鈣鈦礦的核心缺陷。美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀通過無接觸式測(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。

本研究提出鹵化物混合制動(dòng)策略，引入氰酸鉀（KOCN）作為“制動(dòng)器”，減緩?fù)嘶疬^程中鹵化物交換速率，促進(jìn)其均勻分布并降低缺陷密度，最終使1.95 eV單結(jié)電池效率達(dá)15.93 %，三結(jié)全鈣鈦礦疊層電池效率超30 %，為高效寬帶隙及多結(jié)疊層電池發(fā)展提供有效方案。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與核心機(jī)制

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本研究制備了兩組鈣鈦礦太陽能電池：對(duì)照組采用 FA?.??Cs?.??PbI?.?Br?.?（FA = 甲脒鎓）鈣鈦礦材料，目標(biāo)組則通過鹵化物混合制動(dòng)策略處理，在前驅(qū)體溶液中添加 KOCN。選擇 OCN?離子的核心原因是其離子半徑與 Br?相近，相比硫氰酸根（ SCN? ）等常用離子，更能適配鹵化物混合體系，發(fā)揮調(diào)控作用。

研究團(tuán)隊(duì)提出的核心機(jī)制假設(shè)為：KOCN的引入會(huì)減緩鹵化物遷移速率，使晶粒生長(zhǎng)更可控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鹵化物均勻分布；同時(shí)減少薄膜缺陷態(tài)，抑制非輻射復(fù)合，最終提升電池性能。為驗(yàn)證這一假設(shè)，研究開展了一系列系統(tǒng)表征，從結(jié)晶動(dòng)力學(xué)、薄膜微觀結(jié)構(gòu)、載流子動(dòng)力學(xué)到電池電學(xué)性能，全面探究KOCN的作用效果。

關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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薄膜特性優(yōu)化

(a) KOCN在薄膜形成過程中作用的示意圖。(b)對(duì)照組和(c)目標(biāo)組在退火過程中薄膜的原位紫外-可見吸收光譜。(d)吸收邊處原位紫外-可見吸收強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線。(e)對(duì)照組和(f)目標(biāo)組鈣在鈦礦薄膜（100）衍射峰隨不同退火時(shí)間的演變

結(jié)晶動(dòng)力學(xué)與鹵化物分布：通過原位紫外-可見吸收光譜觀察發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)組薄膜的鹵化物混合速率顯著慢于對(duì)照組，最終吸收光譜中延遲的吸收邊證實(shí)KOCN有效抑制了鹵化物遷移和交換。這一現(xiàn)象源于OCN?與FAI的相互作用，減緩了FAI插入[PbX?]??八面體的過程，紅外光譜中OCN?伸縮振動(dòng)峰的位移也印證了這一相互作用。能量色散光譜（EDS） mappings顯示，目標(biāo)組薄膜中溴和碘的分布更均勻；X 射線衍射（XRD）分析表明，目標(biāo)組薄膜的（100）擇優(yōu)取向增強(qiáng)，有利于載流子傳輸并降低陷阱態(tài)密度。

薄膜的頂視SEM圖像：(a)對(duì)照組，(b)目標(biāo)組。薄膜的AFM圖像：(c)對(duì)照組，(d)目標(biāo)組。薄膜的KPFM圖像：(e)對(duì)照組，(f)目標(biāo)組

微觀形貌與表面特性：掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顯示，對(duì)照組薄膜晶粒尺寸較?。?200 nm），晶界密度高；而目標(biāo)組薄膜晶粒尺寸顯著增大，平均增幅約 100 nm，且截面形貌更優(yōu)，減少了缺陷并利于載流子傳輸。原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量表明，目標(biāo)組薄膜的均方根（RMS）表面粗糙度從對(duì)照組的11.8 nm降至10.6 nm，改善了鈣鈦礦與傳輸層的界面接觸。開爾文探針力顯微鏡（KPFM）顯示，目標(biāo)組薄膜接觸電勢(shì)更均勻，表明鹵化物分布和薄膜質(zhì)量得到顯著提升。

(a)對(duì)照組和目標(biāo)組鈣鈦礦薄膜的PL光譜；(b)對(duì)照組和目標(biāo)組鈣鈦礦薄膜的TRPL光譜；(c)對(duì)照組和(d)目標(biāo)組：薄膜的光致發(fā)光成像圖

載流子動(dòng)力學(xué)：穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光（PL）和時(shí)間分辨光致發(fā)光（TRPL）測(cè)量顯示，目標(biāo)組薄膜的PL強(qiáng)度明顯高于對(duì)照組，且載流子壽命更長(zhǎng)，說明KOCN處理有效減少了非輻射復(fù)合。模擬1太陽光照下的PL光譜顯示，對(duì)照組發(fā)生明顯相分離，而目標(biāo)組僅出現(xiàn)輕微分離；PL mapping圖像進(jìn)一步證實(shí)，目標(biāo)組薄膜在更大區(qū)域內(nèi)具有更均勻的高 PL 強(qiáng)度，表明薄膜質(zhì)量和載流子傳輸特性得到全面優(yōu)化。

電池性能突破

(a)單結(jié)1.95 eV帶隙PSCs的電池結(jié)構(gòu)；(b)對(duì)照組和目標(biāo)組薄膜的UPS；(c) 電池中各層的能級(jí)排列圖；(d)J-V曲線；(e) EQE光譜；(f)對(duì)照組和目標(biāo)組電池的穩(wěn)態(tài)功率輸出；(g)奈奎斯特圖；(h)光強(qiáng)依賴的J-V 曲線；(i)對(duì)照組和目標(biāo)組電池的莫特 - 肖特基圖

單結(jié)電池性能：?jiǎn)谓Y(jié)寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池采用 ITO/NiO?/SAM/PVK/C??/BCP/Cu 結(jié)構(gòu)。紫外光電子能譜（UPS）測(cè)量顯示，KOCN的摻入優(yōu)化了薄膜能級(jí)排列，利于載流子傳輸。瞬態(tài)光電流（TPC）測(cè)量表明，目標(biāo)組電池的載流子提取和傳輸速率更快。陷阱填充極限電壓（VTFL）測(cè)試顯示，目標(biāo)組薄膜的缺陷態(tài)密度（ntrap）從對(duì)照組的 1.96×101? cm?3 降至0.69×101? cm?3。最終，目標(biāo)組電池的開路電壓從對(duì)照組的1.35 V提升至1.40 V，填充因子從0.79提高至0.83，光電轉(zhuǎn)換效率從14.41%提升至15.93%，處于目前≥1.95 eV PSCs的領(lǐng)先水平。

穩(wěn)定性提升：在氮?dú)馐痔紫渲羞M(jìn)行的連續(xù)最大功率點(diǎn)（MPP）跟蹤穩(wěn)定性測(cè)試表明，目標(biāo)組電池在 300 h 后仍保持約 85% 的初始效率，而對(duì)照組保留率低于 60%。這一提升得益于目標(biāo)組薄膜質(zhì)量的改善、缺陷密度的降低和鹵化物的均勻分布，有效抑制了相分離和離子遷移。

(a)TSCs的電池結(jié)構(gòu)；(b)WBG、MBG和NBG鈣鈦礦太陽能電池的J-V 曲線；(c)EQE光譜；(d)穩(wěn)態(tài)功率輸出

濾光前與濾光后的WBG、MBG和NBG鈣鈦礦太陽能電池的光伏參數(shù)

三結(jié)疊層電池性能：基于單結(jié)電池的優(yōu)異表現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)制備了機(jī)械堆疊三結(jié)全鈣鈦礦疊層太陽能電池，采用半透明寬帶隙（WBG）PSCs 作為頂電池、中帶隙（MBG）PSCs 作為中間電池、窄帶隙（NBG）PSCs 作為底電池。為減少電極制備對(duì)鈣鈦礦層的損傷，半透明 WBG PSCs 中采用原子層沉積（ALD）制備的 SnO?替代 BCP，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到14.4%，穩(wěn)定效率為14.20%。經(jīng)過半透明頂電池過濾后，中帶隙中間電池和窄帶隙底電池分別實(shí)現(xiàn) 8.23%和7.42%的效率。最終，多端全鈣鈦礦疊層電池實(shí)現(xiàn)了30.04%的高效，穩(wěn)定功率輸出維持在29.07%，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

本研究通過引入KOCN作為晶體生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，提出了創(chuàng)新的鹵化物混合制動(dòng)策略，成功制備出溴含量超過60 %的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜。該策略不僅提升了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶度、降低了缺陷密度，還通過延長(zhǎng)結(jié)晶過程中鹵化物的遷移與交換時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了鹵化物均勻分布。這些優(yōu)化有效減少了電壓損失，抑制了非輻射復(fù)合，顯著提升了電池性能：?jiǎn)谓Y(jié) 1.95 eV 帶隙PSCs實(shí)現(xiàn)15.93 %的效率和1.40 V的開路電壓，機(jī)械堆疊三結(jié)全鈣鈦礦疊層電池效率突破30 %，達(dá)到目前該領(lǐng)域的領(lǐng)先水平。

該研究為改善高溴含量寬帶隙 PSCs 的晶體質(zhì)量和減少電壓損失提供了有效途徑，將有力推動(dòng)多結(jié)全鈣鈦礦疊層電池向更高效率、更高穩(wěn)定性方向發(fā)展，為光伏技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用注入新動(dòng)力。

美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀

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聯(lián)系電話：400 008 6690

大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)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(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；誤判率

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。

原文參考：Halide-mixing braking strategy for 1.95 eV wide-bandgap perovskites enabling high-efficiency triple-junction tandems

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關(guān)于我們

「美能光伏」涵蓋太陽能光伏的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈：從機(jī)理研究到組件以及發(fā)電廠的質(zhì)量保證。我們的研發(fā)范圍旨在與行業(yè)合作，促進(jìn)在市場(chǎng)上推出新的創(chuàng)新產(chǎn)品。我們的目標(biāo)是降低制造成本并支持中國光伏產(chǎn)業(yè)參與國際競(jìng)爭(zhēng)。

公司研發(fā)出美能在線四探針，在線poly膜厚檢測(cè)儀，網(wǎng)版測(cè)試儀、微晶晶化率測(cè)試儀、量子效率測(cè)試儀、橢偏儀、美能二次元測(cè)試儀、美能3D顯微鏡、美能TLM等一系列先進(jìn)光伏電池片檢測(cè)設(shè)備。同時(shí)針對(duì)光伏組件 IEC61215、IEC61730測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)以及BIPV光伏建筑一體化提供專業(yè)的光伏組件綜合測(cè)試解決方案。