研究背景与挑战：高效能纹理化钙钛矿/硅叠层太阳能电池的技术瓶颈

1. 技术潜力与产业实践的落差

钙钛矿/硅叠层太阳能电池因能利用成熟的晶硅产线并实现高功率转换效率（PCE）而成为学术界与产业界关注焦点。近年 PCE 的突破主要来自于：光管理技术优化、钙钛矿结晶质量提升与缺陷钝化、空穴选择性自组装单分子层开发，以及钙钛矿/电子传输层（C60）界面钝化策略的进展。

然而，现有高效钝化策略多应用于平面基板的溶液制程，往往需要对硅底电池进行客制化处理（如额外抛光或调整金字塔尺寸）。这与工业标准硅技术采用的随机金字塔形貌（高度 > 1 μm，远超钙钛矿厚度）存在本质冲突，使得高效策略难以整合至纹理化硅基板。

2. 纹理化叠层电池的核心挑战

基于大尺寸纹理硅的纹理化钙钛矿/硅叠层电池虽具备制造成本优势和优异光管理效果，但在实施有效的钙钛矿/C60 界面钝化方面面临关键技术障碍，导致与平面器件相比开路电压（VOC）损失超过 100 mV。

3. 性能损失的电学机制

深入分析显示，纹理化叠层电池的性能下降源于以下电学问题：

• 能带失配效应： 钙钛矿与电子传输层间的大导带偏移（ΔEC,ETL）导致顶部接触处载流子浓度严重失衡，且此效应延伸至整个钙钛矿体积

• 界面复合损失： 载流子浓度失衡引发高界面复合率，直接导致 VOC 显著下降

• 传输性能劣化： 吸收层中等载流子浓度限制了内部电导率，造成严重的载流子传输与选择性损失，表现为填充因子（FF）性能不佳

研究团队与主要成果

本研究由德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer ISE）的 Oussama Er-raji 教授与 Stefan W. Glunz 教授，以及阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的 Stefaan De Wolf 教授共同主导，研究成果发表于国际期刊 Science。研究团队成功提出突破性的界面工程策略，大幅提升了工业标准纹理化钙钛矿/硅叠层太阳能电池的性能与稳定性。

主要研究策略

• 混合式两步骤钙钛矿沉积方法： 与工业标准纹理化硅基板兼容

• PDAI 表面处理技术： 引入 1,3-二氨基丙烷二氢碘化物进行钙钛矿表面处理，降低钙钛矿与电子传输层（C60）间的导带偏移，并在整个钙钛矿吸收层内诱导电子累积

研究成就与技术看点

Fig.4D

• 核心创新：电子累积的深层场效钝化机制

• 突破传统界面钝化仅抑制界面复合的限制，PDAI 在整个钙钛矿吸收层内部诱导显著电子累积

• 成功降低钙钛矿/C60 界面导带偏移（ΔEC,ETL），减少界面复合损失

• 显著提高钙钛矿吸收层电导率，大幅减少载流子传输损失，改善填充因子表现

• 器件性能里程碑突破

• 功率转换效率（PCE）达 33.1%，创纹理化叠层电池新高

• 开路电压（VOC）高达 2.01       V，消除了过去纹理化器件 >100 mV 的性能落差

• 填充因子（FF）显著提升，证实降低传输损失策略的有效性

• 工业兼容架构性能与目前纪录保持器件相当

• 优异稳定性与产业应用潜力

• 获得经认证的       31.6% 稳定 PCE，展现实际应用价值

• PDAI 处理透过抑制离子迁移，显著增强器件长期操作稳定性

• 在红海沿岸热湿户外环境及湿热测试中表现出色，对 FF 和 VOC 损失具良好抵抗力

• 策略在不同研究机构间展现重现性，证明产业化可行性

实验步骤与制程流程

Fig.4B

1. 纹理化硅底部电池制备

采用 250 μm 厚 p 型浮区硅晶圆（电阻率 1 Ω·cm），利用 KOH 溶液进行工业标准双面随机金字塔纹理化，形成 1-4 μm 高度金字塔结构。经臭氧湿化学清洗后，以 PECVD 技术在双面沉积本征/掺杂非晶硅钝化层（~27 nm），并分别在正面和背面溅射 ITO 重组层（20 nm）与完整的 ITO/Ag 电极结构。最终将晶圆雷射划刻为 2.2×2.2 cm² 或 2.5×2.5 cm² 基板，保留 1×1 cm² ITO 焊盘作为活性区。

2. 钙钛矿顶部电池的混合沉积技术

硅基板经乙醇清洗和 UV/臭氧处理后，先旋涂沉积 Me-4PACz 空穴传输层。钙钛矿吸收层采用创新的混合式两步骤蒸发/旋涂方法制备：(一)共蒸发 PbI₂/CsX 无机骨架（~550 nm），(二)动态旋涂 FAI/FABr 有机卤化物溶液（含少量尿素结晶剂），并通过调整 FABr/FAI 比例控制目标带隙（1.67 或 1.70 eV）。完成后在空气中 100°C 退火 10 分钟。

3. PDAI 界面钝化策略实施

在钙钛矿层形成后，引入核心创新技术 - 1,3-二氨基丙烷二氢碘化物（PDAI）表面处理。PDAI 溶于氯苯/异丙醇混合溶剂中，可透过旋涂或浸涂方式沉积（浸涂法展现良好可扩展性），随后 100°C 退火 3 分钟，实现钙钛矿/C60 界面的深层场效钝化。

4. 电极与光学层建构

完成 PDAI 处理后，依序真空蒸发 C60 电子传输层（18 nm），ALD 沉积 SnOₓ 缓冲层（15-30 nm，80°C），屏蔽溅射顶部透明导电氧化物（ITO 或 IZO），蒸发 Ag 顶部电极（650 nm），最后热蒸发 MgFₓ 抗反射层（140 nm）。所有蒸发制程均由石英晶体微天平精确监控。

5. 稳定性评估与封装

为评估长期稳定性，采用 PV 带和银浆连接电池并进行工业级封装。封装结构包含太阳能玻璃、TPU 封装剂和 PIB 边缘密封剂，整体在真空层压机中 120°C 处理 20 分钟，确保优异的环境保护性能。

研究成果与表征

准费米能阶分裂 (QFLS) 影像分析

QFLS 用于量化材料的开路电压 (VOC) 潜力，帮助研究人员理解非辐射复合损失的来源，并评估不同制程对材料性能的影响，为界面工程和材料优化提供证据。

参考钙钛矿薄膜的准费米能阶分裂 (iVOC) 影像显示空间波动性较大，标准偏差 (σ) 为 38 mV，平均值为 1.23 V。经过 PDAI 处理后，iVOC 的空间均匀性显著提高，σ 降低至 26 mV，平均 iVOC 增加了 20 mV 达到 1.25 V，这表明 PDAI 具有轻微的化学钝化特性。在沉积 C60 后，参考堆栈的 iVOC 下降 80 mV 至 1.15 V，且分布更广 (σ = 65 mV)，但 PDAI 钝化后的堆栈 iVOC 保持在 1.23 V，分布也更窄 (σ = 17 mV)。

Fig. 3A 显示了参考和 PDAI 处理后钙钛矿薄膜的 iVOC 影像。

为了精准掌握材料的 QFLS 特性并快速评估其潜力，Enlitech 的QFLS-Maper 准费米能阶分裂检测仪器是理想之选。它能以极快的速度（QFLS 影像不到 3 秒，Pseudo J-V 曲线不到 2 分钟）提供直观的 QFLS 可视化影像，并量测 iVOC、Pseudo J-V、PLQY 及 EL-EQE 等关键参数。这不仅能帮助研究人员迅速预测材料效率极限，更能透过可视化方式一眼看出材料质量与准费米能阶分布，大幅提升研发效率。

J-V 曲线测量

用于直接评估太阳能电池的关键性能参数。伪 J-V (pseudo-J-V) 曲线则用于量化器件的串联电阻 (RS) 和传输损失。

透过 PDAI 策略，器件的 PCE 从 29.1% 提升至 32.3%，其中 VOC 从 1.83 V 增加到 1.94 V，FF 从 79.4% 提升到 81.6%。纪录的器件更达到了 33.1% 的 PCE 和 2.01 V 的 VOC。

伪 J-V 测量显示，PDAI 处理后，伪填充因子 (pFF) 与实际 FF 的差异从参考器件的 6% 显著下降至 3%。同时，功率点 (MPP) 的串联电阻 (RS) 也从 6 奥姆-平方公分降低到 3 奥姆-平方公分。这表明 PDAI 主要透过调控载流子密度，降低了 RS 的非奥姆贡献，从而减少了传输损失。

Fig. 4D 展示了叠层太阳能电池的 J-V 曲线，其 PCE 达到 33.1%，VOC 为 2.01 V，彰显了本研究策略在性能上的突破。

Fig. 3E 描绘了参考和 PDAI 钝化叠层太阳能电池的 J-V、伪 J-V 和推导 J-V 曲线，直观显示了 PDAI 如何缩小了 pFF 与 FF 之间的差距，证明其在降低传输损失方面的有效性。

Fig. S17A 进一步提供了有 PDAI 处理和无 PDAI 处理的器件在正向和反向扫描下的 J-V 曲线及其详细的光伏参数，明确显示了 PDAI 在 VOC、FF 和 PCE 上的提升。

进行精确的 J-V 曲线测量，特别是对新一代太阳能电池如钙钛矿/硅叠层电池，Enlitech 的 SS-X AM1.5G 标准光谱太阳光模拟器 能提供 A+ 级光谱精度和优异的稳定性。搭配其 IVS-KA6000 综合测试软件，不仅能执行正向/反向 IV 扫描及多信道测试，更具备 NREL 渐近检测功能。SS-X 结合 SS-IRIS 技术，能在不改变光谱的情况下自动调整光强度，支持 Sun-Voc 等复杂测试。

EQE 测量

测量用于确定太阳能电池在不同波长光照下的电流收集效率，并评估叠层电池各子电池之间的电流匹配情况。

PDAI 处理后，器件的 短路电流密度 (JSC) 保持不变，这一结果与 EQE 和反射率测量结果一致。研究团队还透过将钙钛矿带隙从 1.67 eV 调整到 1.70 eV，以实现更好的电流匹配，这进一步提升了器件性能。EQE 曲线的稳定性也间接证明了器件的长期稳定性未受影响。

Fig. S17B 呈现了参考和 PDAI 处理器件的 EQE 测量结果，显示两者的光谱响应曲线相似，支持了 JSC 保持一致的观察。

Fig. S17C 显示了相应的反射率测量结果，进一步验证了光学管理方面的比较性。

Fig. S23A 则展示了不同带隙（1.67 eV 和 1.70 eV）器件的 EQE 测量，强调了带隙调整如何影响钙钛矿子电池的光谱吸收边缘，以达到电流匹配。

Enlitech 的 QE-R 量子效率量测系统 是光伏研究中值得信赖的工具，以其重复性和精度，广泛应用于超过 500 个光伏研究实验室，并被 1,000 多篇 SCI 论文引用，包括《自然》、《科学》等旗舰期刊。QE-R 系统特别设计了双独立锁相放大器，能精确测量多结太阳能电池的量子效率，包括钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。它提供 EQE、IPCE、SR、IQE 和反射率等多种数据，并能进行电流积分计算。

UPS 与 AM-KPFM 测量

紫外光电子能谱 (UPS) 用于分析薄膜的功函数 (Wf) 和电离电位 (IP)，以研究钙钛矿/C60 界面的能带对齐。振幅调变开尔文探针力显微镜 (AM-KPFM) 则用于验证功函数变化，并观察表面电位分布的均匀性。

UPS 测量显示，PDAI 钝化后的钙钛矿薄膜功函数 (Wf) 比参考样品增加了 270 meV (从 4.49 eV 增至 4.76 eV)。电离电位 (IP) 的变化表明了偶极的形成。这种偶极形成导致与 C60 界面处的能带偏移从参考样品的 180 meV 最小化至 70 meV。AM-KPFM 结果也显示 PDAI 处理后的表面电位分布更加均匀。

Fig. 2A 呈现了参考和 PDAI 处理薄膜的二次电子截止区域的 UPS 测量结果。

Fig. 2C 展示了参考和 PDAI 处理薄膜与 C60 的能带图。

Fig. S9G 则透过 AM-KPFM 测量结果显示了参考和 PDAI 处理薄膜的功函数分布。

DFT 计算

计算用于从理论层面深入理解 PDAI 分子在钙钛矿表面形成偶极的机制和其方向。

DFT 计算揭示 PDAI 分子具有 8.27 D 的偶极矩。研究发现，PDAI 与有机富集的钙钛矿表面（本研究使用的混合蒸发/旋涂方法产生的表面）相互作用时，会诱导一个指向 C60 的正偶极，从而导致功函数增加。这与实验观察到的功函数增加趋势一致。

Fig. 2D 显示了 PDAI 分子的化学结构和静电势能图。

Fig. 2F 展示了 PDAI 与有机终端 MAPbI3 相互作用后的优化结构和感应电荷密度差异。

Fig. 2G 呈现了 PbI2-终端和 MAI-终端 MAPbI3 在有无 PDAI 情况下的计算功函数。

时间解析 PL (TRPL) 与瞬态吸收光谱 (TA)

时间解析光致发光 (TRPL) 测量用于解耦界面电荷转移和界面电荷复合的竞争过程。瞬态吸收 (TA) 光谱则用于详细研究纳秒时间尺度的载流子动力学和非发射陷阱态信号。

带有 C60 的参考样品，其微分寿命在 ~1 μs 处达到平台期，相较于无 C60 的参考样品减少了一个数量级，表明界面复合主导了动力学。相比之下，经 PDAI 处理且带有 C60 的堆栈显示微分寿命平台期约为 ~10 μs，而无 C60 时为 ~13 μs，这强烈表明目标堆栈中的界面复合显著减少。TA 测量结果进一步显示，参考样品中存在的长寿命浅陷阱载流子信号，在 PDAI 处理后消失。PDAI 处理使参考/C60 堆栈的 TA 带隙漂白加权平均载流子寿命从 27 ns 增加到 53 ns，证实 VOC 改善的主要原因是界面复合的减少。

Fig. 3B 显示了参考和 PDAI 处理薄膜的时间解析 PL 衰减曲线。

Fig. 3D 呈现了瞬态吸收测量中参考和 PDAI 处理薄膜的带隙漂白衰减曲线。

Suns-VOC 测量

在开路条件下进行，避免电荷提取，获得的伪 J-V 曲线被认为没有传输损失，可用于量化总串联电阻 (RS)。

测量结果发现，虽然伪填充因子 (pFF) 保持在 85% 不变，但 pFF-FF 差异在 PDAI 钝化器件中从参考器件的 6% 降低到 3%。因此，在功率点 (MPP) 的串联电阻 (RS) 计算值显著下降，从 6 奥姆-平方公分降至 3 奥姆-平方公分。在不同操作电压下评估 RS，目标器件显示出较小的斜率，强调 PDAI 主要是透过调节载流子密度，降低了 RS 的非奥姆贡献。

Fig. 3E 展示了参考和 PDAI 钝化叠层太阳能电池的 J-V、伪 J-V 和推导 J-V 曲线。

Fig. S14 描绘了参考和 PDAI 处理器件在不同操作电压下的 RS 曲线。

偏压辅助电荷提取 (BACE) 测量

用于量化太阳能电池中移动离子的浓度，这对于理解钙钛矿器件的长期操作稳定性至关重要。

稳定性测试后，参考器件的移动离子浓度 (6.5 × 10^17 cm⁻³) 是目标器件 (2.6 × 10^17 cm⁻³) 的近三倍。这可能是参考器件加速降解的明确原因。结果显示，经 PDAI 改性的钙钛矿/C60 界面能够有效固定离子迁移，从而增强器件的操作稳定性。

Fig. S26A, B 呈现了代表性参考太阳能电池和 PDAI 钝化太阳能电池在稳定性测试前后的 BACE 测量结果。

其他表征

户外稳定性与湿热测试 验证器件在实际操作环境下的长期可靠性。PDAI钝化器件在红海沿岸户外环境展现稳定性，湿热测试中PCE相对于初始性能的保留率从73.7%提升至83.4%，显著提升FF与VOC抗衰减能力。(Fig. 4F, Fig. S27)

X射线光电子能谱（XPS） 确认PDAI分子在钙钛矿表面的成功吸附与化学相互作用。检测到PDAI分子特征信号，C-N键信号增强，N 1s、Pb 3d和I 3d核心能级向低结合能位移，证实PDAI与钙钛矿表面发生有效相互作用。(Fig. S5A-D)

结构表征（XRD, GIWAXS, STEM） 验证PDAI处理不影响钙钛矿晶体结构完整性。确认系统中未形成低维钙钛矿相，3D钙钛矿结构在界面保持不变，PDAI处理对钙钛矿形态无显著影响。(Fig. S6A-G, Fig. S7C-E)

扫描电子显微镜（SEM） 观察器件横截面形态及钙钛矿薄膜表面结构。证实各层结构清晰，PDAI添加未导致钙钛矿表观晶粒尺寸改变，维持良好的薄膜共形性。(Fig. 4B, Fig. S8A-B)

太赫兹光谱与空间电荷限制电流（SCLC） 量测载流子迁移率与缺陷密度，理解导电率提升机制。载流子迁移率维持相近水平（16.5-18.5 cm²/Vs），电子浓度增强为串联电阻降低的根本原因，缺陷密度从1.55×10^15降至1.15×10^15 cm^-3。(Fig. S15, Fig. S16A-B)

研究结论与成果总结

研究成功开发基于1,3-二氨基丙烷二氢碘化物（PDAI）的钝化策略，显著提升工业标准纹理化硅基钙钛矿/硅叠层太阳能电池的效率与稳定性。

创纪录器件性能

器件实现33.1%的光电转换效率（PCE） 和2.01 V开路电压（VOC），其中认证稳态PCE达31.6%。这使得纹理化硅基叠层电池的性能与当前平面型叠层电池的纪录持平，证明在复杂工业基板上实现高效钝化的可行性，克服了高表面积带来的钝化挑战。

核心创新：深层场效应钝化机制

PDAI透过功函数工程 在钙钛矿/C60界面诱导正偶极矩，将导带偏移（ΔEC,ETL）从参考器件的180 meV降至目标器件的70 meV。关键突破在于「深层场效应钝化」 将电子积累扩展至整个钙钛矿吸收层体材料，使吸收层内的平均电子浓度从模拟的1×10^14提升至4×10^15 cm^-3。这显著增强了吸收层的导电性并降低了载流子传输损失，成为填充因子（FF）改善的主要驱动力。

优异的长期稳定性

器件在红海沿岸户外环境 连续运作超过1000小时保持稳定输出，湿热测试（85°C, 85%RH, 1000小时）中，PCE相对于初始性能的保留率从73.7%提升至83.4%。PDAI处理有效固定钙钛矿/C60界面上的离子迁移，大幅降低了移动离子浓度，从根本上改善了器件的运行稳定性。

工业化应用潜力

该策略与工业兼容的混合两步沉积法匹配，适用于大金字塔尺寸的纹理化硅基板。研究已验证透过浸涂法沉积PDAI的可扩展性，其作用机制使其在多种钙钛矿组合物中均能成功提升性能。

文献参考自Science_DOI: 10.1126/science.adx1745

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