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效率30.31%大面积柔性钙钛矿/硅叠层电池:双分子界面协同钝化与低维相稳定策略
日期:2026-06-01浏览量:25

柔性钙钛矿/硅叠层太阳能电池(FTSC)因其高功率质量比和机械柔韧性,在航天、可穿戴等新兴领域极具潜力,但面临两大核心挑战:一是钙钛矿/C60界面的载流子复合与机械分层,导致效率和稳定性下降;二是大面积(>10 cm²)器件的功率转换效率(PCE)长期难以突破30%。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源,可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围,进行长期的稳定性能测试。
本文提出一种双分子哌嗪衍生物协同界面工程策略,同时引入PDCI和p-ClPh-PCl。其中PDCI通过场效应钝化抑制界面缺陷、优化能带排列以加速电子提取,而p-ClPh-PCl则原位形成稳定低维相,促进均匀C60生长、抑制富勒烯聚集并增强界面附着力。该方案首次在超过10 cm²的FTSC中实现30%以上效率:1 cm²器件达31.51%,17.64 cm²器件达30.31%,并在20,000次弯曲循环和650小时连续光照后仍保持95%初始效率,为柔性高效叠层光伏提供了可行路径。
实验方法
单结电池以玻璃/ITO为衬底,采用4PADCB为空穴传输层,旋涂含Cs、FA、MA、Pb、Cl、Br的钙钛矿前驱体,反溶剂法制膜后退火。界面修饰层(PDCI、p-ClPh-PCl或MIX)溶于异丙醇后旋涂并退火,随后热蒸发沉积C60(18 nm)、BCP(5 nm)和Ag(100 nm)。叠层电池使用60 μm厚n型单晶硅片,制备a-Si:H异质结底电池,再按相似工艺制备顶电池,并采用ALD沉积SnO2和磁控溅射IZO。性能测试使用太阳模拟器和EQE系统,稳定性测试在LED光源下进行最大功率点跟踪。
抑制C60聚集与表面电势均匀化
(a)协同界面处理机制示意图(b)相应钙钛矿/C60薄膜在光照前的开尔文探针力显微镜(KPFM)表面电势图(c)光照后的表面电势图(d)双分子结合时的弱相互作用区域指示函数图(e)不同界面处理(对照、PDCI、p-ClPh-PCI 和 MIX)下钙钛矿薄膜的掠入射广角X射线散射(GIWAXS)图谱
为评估界面处理对ETL稳定性的影响,研究者制备了对照、p-ClPh-PCl、PDCI及两者混合物(MIX)四种钙钛矿/C60叠层,并进行30分钟光照测试。开尔文探针力显微镜(KPFM)显示,光照后对照和PDCI样品表面电势出现明显分散,而p-ClPh-PCl和MIX样品保持均匀电势。光学显微镜发现,光照后对照和PDCI样品中出现显著的C60聚集,而p-ClPh-PCl和MIX样品形貌完好。这表明p-ClPh-PCl有效抑制了C60在光照下的团聚。
分子模拟(IGMH)计算表明,C60分子之间的结合能仅为-0.25 eV,而PD⁺与C60的结合能为-1.75 eV,p-ClPh-P⁺与C60的结合能更强(-2.18 eV),主要来源于范德华相互作用。因此,p-ClPh-PCl为C60提供了更有利的分子环境,从而抑制聚集、保持表面电势均匀。
低维相屏障的形成与稳定性增强
(a)相应钙钛矿薄膜在施加30 V偏压前的光致发光(PL)mapping图(b)施加30 V偏压后的PL mapping图(c)导电原子力显微镜(C-AFM)图像(d)紫外光电子能谱(UPS)谱图(e)根据UPS导出的价带最大值(VBM)值和光学带隙估算的处理后钙钛矿薄膜的能级图
除了稳定C60覆盖层,p-ClPh-PCl还会改变钙钛矿表面结构。掠入射广角X射线散射(GIWAXS)和X射线衍射(XRD)显示,p-ClPh-PCl和MIX处理后的薄膜在低角度(4.9°和9.8°)出现新衍射峰,对应低维相的形成,而PDCI处理不产生该相。该低维相来自p-ClPh-PCl与PbI2的反应。水接触角测试表明,低维相使表面疏水性从55.0°(对照)提高至87.0°(p-ClPh-PCl)和86.0°(MIX)。同时,在30 V偏压下,对照和PDCI薄膜的光致发光(PL)因离子迁移而迅速淬灭,而p-ClPh-PCl和MIX薄膜的PL几乎不变,说明低维相有效抑制了离子迁移。
协同电子钝化与能带排列
(a)三种异质结构型的DFT优化原子结构(b)三种异质结中C60分子与其余组分之间的计算结合能(c)单结钙钛矿太阳能电池的器件结构示意图(d)相应单结钙钛矿器件效率(PCE)的统计箱线图(e)冠军单结器件的J-V曲线(f)电化学阻抗谱(EIS)奈奎斯特图(g)瞬态光电压(TPV)衰减曲线。(h)入射光子-电流转换效率(IPCE)光谱
导电原子力显微镜(C-AFM)显示,PDCI处理显著提高薄膜电导率,p-ClPh-PCl贡献较小,MIX样品的电导率与PDCI相当,说明PDCI主导电子传输性能。稳态PL和时间分辨PL(TRPL)表明,MIX处理薄膜的PL强度最高,平均载流子寿命达927.55 ns(对照更低),表明非辐射复合被有效抑制。紫外光电子能谱(UPS)分析显示,PDCI和MIX处理使钙钛矿的导带最小值(CBM)与C60的能级偏移从0.23 eV(对照)降至约0.11 eV,更有利于电子提取。
密度泛函理论(DFT)模拟三种界面构型:PVSK/C60、PVSK/PDCI/C60和MIX(含低维相)。计算发现MIX构型中C60与界面的结合能最大(-8.87 eV),远高于另外两种(-0.63 eV和-4.57 eV),证实MIX处理显著增强了C60与界面的结合强度。
单结与叠层器件光伏性能
在1.65 eV带隙的单结钙钛矿电池中,分别优化PDCI和p-ClPh-PCl浓度,最佳浓度均为0.2 mg/mL,相应效率分别为21.68%和20.83%。将两者混合(MIX)后冠军效率达到22.57%,优于单独处理或顺序处理。电化学阻抗谱(EIS)和瞬态光电压(TPV)表明MIX器件复合电阻最大、载流子寿命最长,瞬态光电流(TPC)显示MIX器件提取最快。
基于优化策略制备二端柔性叠层电池。1 cm²冠军MIX器件效率31.51%(对照28.60%),参数为:VOC=1.95 V,JSC=19.91 mA/cm²,FF=81.17%。17.64 cm²大面积MIX器件效率30.31%(对照27.40%),VOC=1.94 V,JSC=19.26 mA/cm²,FF=81.12%。SPO测试显示MIX器件在600秒后稳定在31.16%。IPCE表明顶电池和底电池积分电流分别为20.28和19.50 mA/cm²,电流匹配良好。
运行稳定性与机械稳定性
(a)柔性二端钙钛矿/硅叠层太阳能电池结构示意图(b)不同界面处理的柔性叠层太阳能电池(FTSC)效率分布图(c)冠军叠层器件的稳态功率输出(SPO)追踪曲线(d)活性面积为1 cm²的冠军柔性叠层太阳能电池的J-V曲线(e)活性面积为17.64 cm²的冠军柔性叠层太阳能电池的J-V曲线(f)冠军叠层器件的IPCE光谱(g)连续光照下的运行稳定性测试(1 cm²器件)(h)机械弯曲耐久性测试(17.64 cm²器件)
在室温、连续AM 1.5G光照下,MIX处理器件经过650小时后仍保持95%初始效率,而对照器件100小时即降至70%。在85°C高温下,MIX器件200小时后仍保持约80%效率,对照仅剩67%。弯曲测试(半径45 mm)中,17.64 cm²的MIX器件在20,000次弯曲后保持95%效率,对照在12,000次后降至70%。面外拉伸测试显示MIX处理的上部堆栈(IZO/SnO2/C60/钙钛矿)抗分层能力最强。这些改善归因于低维相有效吸收和耗散应力。
本文报道的双分子协同界面处理策略集成了场效应钝化、低维相稳定化、抑制离子迁移和C60聚集等功能,有效解决了柔性钙钛矿/硅叠层太阳能电池的界面和稳定性问题。所制备器件在1 cm²和17.64 cm²上分别达到31.51%和30.31%的效率,并展现出优异的弯曲耐久性(20,000次)和运行稳定性(650小时),为轻量化、高鲁棒性光伏应用(如空间太阳能电站)提供了可行方案。
钙钛矿复合式MPPT测试仪
联系电话:400-0086-690
美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源,以其先进的技术和多功能设计,为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。
Ø 3A+光源,光源寿命10000h+,真实还原各场景实际光照条件
Ø 可选配恒温恒湿箱,满足IS0S标准
Ø 多型号电子负载可选,多通道独立运行
Ø 不同波段光谱输出可调:350-400 nm/400-750 nm/750-1150 nm均独立可控
美能钙钛矿复合式MPPT测试仪主要应用于成品钙钛矿单结,叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响,其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点,能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量,还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。
原文参考:Flexible Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells Exceeding 30% Efficiency at Scale
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