钙钛矿太阳能电池的退化集中在器件界面，界面上同时存在化学降解与力学失效。化学降解依赖温度，可按热力学预测；力学失效由空洞与裂纹引起的界面剥离造成，突发且随机，在运行中带来不可预测的效率陡降，也让器件之间的稳定性差异难以控制。既有界面改性把平面夹层放在钙钛矿与电荷传输层之间，靠配位键与氢键起作用，力学粘附提升有限，夹层也不进入电荷传输层。美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+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。

本研究提出跨界面工程（TIE）：把三官能团单体三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMTA）预掺入钙钛矿前驱液、单官能团单体丙烯酰胺（AM）预掺入 SnO₂ 胶体溶液，用偶氮二异丁腈（AIBN）热分解产生的氰基异丙基自由基引发两种单体在各自层内聚合，并在钙钛矿/SnO₂ 界面共聚，形成垂直贯穿两层的聚合物纳米链接。器件冠军光电转换效率27.04%（认证 26.67%），最大功率点追踪下 92% 的器件 T80 寿命达到 1400 h。

实验方法

TIE 的分子设计围绕两种可交联单体展开。TMTA 交联密度高、聚合后耐水性强；AM 亲水性高，便于掺入金属氧化物基电荷传输层。AIBN 受热分解生成氰基异丙基自由基，自由基与两种单体中的 C=C 键作用引发链增长。两种单体与 AIBN 在 50 °C、氮气气氛下加热，既各自聚合生成 PTMTA 与 PAM，也共聚生成 P(AM)m(TMTA)n。共聚的验证方式是把 TMTA 与 AIBN 的二甲基甲酰胺溶液加入已聚合的 PAM，热处理后得到双段棒状结构，拉伸时断裂始终发生在 PAM 段内部，而不是在 PTMTA/PAM 界面，说明二者在界面处已完成化学连接。

器件采用 n–i–p 结构。TMTA 与 AIBN 加入钙钛矿前驱液，AM 加入 SnO₂ 胶体溶液后旋涂成膜，热处理过程中 TMTA 沿钙钛矿晶界自聚、AM 沿 SnO₂ 颗粒间界面自聚，两者在钙钛矿/SnO₂ 界面共聚。单体浓度最优值为 1 mg ml⁻¹。对照组只让 TMTA 在钙钛矿层内聚合，聚合物链接不跨过钙钛矿/电子传输层（ETL）界面，用来单独分离“跨界面链接”这一变量的作用。

力学评价用四种方法：ASTM D3359 十字划格胶带测试、纳米划痕测试测临界载荷、拉伸测试测最大剥离应力、双悬臂梁法测界面韧性。电荷动力学用稳态与时间分辨光致发光（TRPL）、空间电荷限制电流（SCLC）测量。稳定性测试统一以 PTAA 作空穴传输层，器件构型为玻璃/ITO/SnO₂/钙钛矿/PTAA/Au，未封装器件在流动氮气气氛中追踪最大功率点，湿热测试的器件先经封装，按 ISOS-L-1、ISOS-L-2、ISOS-T-3、ISOS-D-3 四种协议评价。

实验结果

TIE 的合成与界面表征

a，TIE以晶粒级分辨率贯穿PSC整个ETL/钙钛矿异质界面的示意图（上）。AIBN引发剂在 N₂ 气氛下经热处理诱导AM与TMTA聚合的路径示意图（下）。b，钙钛矿组分为 FA₀.₉Cs₀.₁PbI₃ 的 TIE 器件截面HAADF像及对应元素分布（C、Pb 与 Sn）。c，聚合后的 PAM、PTMTA 与共聚物 P(AM)m(TMTA)n 的傅里叶变换红外光谱。d，含 TIE 的翻转 CsPbI₂Br 钙钛矿薄膜在不同时长浸水后的 FTIR 光谱

透射电子显微镜（TEM）截面观察显示，钙钛矿层晶界处存在聚合物网络，并延伸进 SnO₂ ETL 的颗粒间界面。高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）的碳元素映射呈现该网络为不定形，从钙钛矿晶界一直连到 SnO₂ ETL；在多个晶界几何形态不同的区域都观察到同样的不定形特征，说明网络的形成不依赖局部界面结构。二甲基甲酰胺冲洗给出溶剂耐受性证据：TIE 样品的聚合物网络冲洗后仍粘附在 SnO₂ ETL 上，而聚合只发生在钙钛矿层内、或只发生在 SnO₂ 层内时，冲洗后 ETL 上没有网络残留。

傅里叶变换红外光谱给出化学连接的证据。纯 TMTA 与 AM 的 C=O 特征峰分别位于约 1,730 cm⁻¹ 与约 1,655 cm⁻¹，聚合后两个峰都保留。翻转的 CsPbI₂Br 钙钛矿薄膜底面同时出现这两个峰，浸水 40 min 后仍完全保留。选用 CsPbI₂Br 是为了排除 FA⁺ 与聚合物之间的信号干扰；AM 与 PAM 水溶、共聚物不水溶，这一溶解度差别说明两个峰来自 AM 与 TMTA 的共聚产物。

界面力学性能与电荷动力学

a，不同钙钛矿薄膜的粘附测试示意图与粘附等级统计。b，不同钙钛矿薄膜的粘附与剥离结果分级。c，从上玻璃基底剥离下来的钙钛矿区域的SEM图像。d，不同钙钛矿薄膜在 SnO₂/钙钛矿界面的界面强度统计。e，不同界面设计（界面链接、对照与 TIE）下 SnO₂/钙钛矿界面的界面韧性。d 与 e 中的须线表示最大值与最小值。箱体边界为第 25 与第 75 百分位。中心为均值。f，晶粒级 TIE 链接的示意图。g，沉积在含与不含 TIE 的 SnO₂ ETL 上的钙钛矿薄膜的TRPL光谱。h，从覆有 SnO₂ ETL 的基底上剥离的对照与 TIE 薄膜的 TRPL 光谱

按 ASTM D3359 标准，5 × 5 十字划格试样（每种薄膜统计 24 个划格区域）的平均粘附质量从对照的 1B（受剥离影响区域占 35%–65%）提升到 TIE 的 3B（占 0%–15%）。纳米划痕测试的平均临界载荷从 2,239 μN 升至 2,759 μN。拉伸测试给出的最大剥离应力从对照的 3.5 MPa 升到 TIE 的 7.0 MPa；两组各六个样品统计后，平均界面强度提升三倍。双悬臂梁法测得的界面韧性从对照的 0.76 ± 0.22 J m⁻²、界面链接样品的 0.67 ± 0.21 J m⁻² 升到 TIE 的 1.72 ± 0.28 J m⁻²，每组十个样品。三个测试指向同一原因：TIE 在界面建立的是共价键合的跨界面网络，对照与界面链接样品则依赖配位键或氢键，强度显著更低。剥离断面的扫描电镜与原子力显微镜观察印证了这一点，TIE 薄膜的脱落区或被 SnO₂ ETL 覆盖，或留下晶粒空洞，属于 SnO₂ ETL 或钙钛矿层内断裂的痕迹，对照薄膜很少出现这类断裂。这种力学增强在不同的聚合物体系与不同的钙钛矿组分上都可以重现。

TIE 在结构上保持中性：钙钛矿晶粒尺寸、表面形貌、结晶度、取向、带隙、光学透过率与对照相比没有显著变化。界面处出现电子学改善，TIE 链接通过路易斯酸碱相互作用与氢键钝化钙钛矿晶界和 ETL 颗粒间界面的缺陷，同时在整个异质结上形成不中断的电荷传输网络。TRPL 显示 TIE 薄膜的平均发光寿命缩短三倍，从 SnO₂ 基底剥离后的薄膜发光强度与载流子寿命升高。SCLC 测得陷阱密度从对照的 5.76 × 10¹⁵ cm⁻³ 降到 TIE 的 4.48 × 10¹⁵ cm⁻³，对应陷阱填充电压 0.177 V 与 0.138 V；电子迁移率从 0.44 升到 0.77 cm² V⁻¹ s⁻¹；SnO₂ ETL 的电导率从 7.2 × 10⁻³ 升到 2.5 × 10⁻² S m⁻¹。在 25 °C、85% 相对湿度下，TIE 薄膜的化学稳定性优于对照薄膜；两者在钙钛矿晶界处都含 PTMTA，这一差别归于 TIE 样品更完整的界面微观结构。

器件效率与稳定性

a，反向扫描下冠军 PSC 的 J–V 曲线与光伏参数。b，对照与 TIE器件的EQE与积分电流密度曲线。c，对照与 TIE 器件在 N₂ 气氛、室温（RT）与 85 °C、一个太阳光强条件下由最大功率点（MPP）追踪测得的运行稳定性。c 中对照与 TIE 器件的初始光电转换效率（PCE）分别为 22.82% 与 23.73%。d，不同 PSC 的 MPP 运行稳定性 T80 寿命分布直方图（两种情形的样本量均为 n = 50）。e，室温 MPP 追踪前后的对照器件截面TEM图像。f，MPP追踪前后的 TIE 器件截面 TEM 图像

反向扫描下，TIE 器件冠军效率 27.04%，认证值 26.67%，对照器件 25.95%；每种条件 50 个器件的平均效率从 25.25% 升到 26.29%，反向与正向扫描的迟滞可忽略。外量子效率谱微分给出的带隙为 1.55 eV，据此计算的开路电压亏损低至 0.33 V。外量子效率积分电流密度为 25.41 mA cm⁻²（TIE）与 24.88 mA cm⁻²（对照），与 J–V 曲线提取值吻合；650 nm 至 780 nm 以及 350 nm 至 500 nm 波段的量子效率提升，归于器件异质界面能级排列的优化。加工后器件中只剩痕量 AIBN，对器件性能的影响可以忽略。TIE 同样适用于 p–i–n 结构。

稳定性差异集中在力学失效上。ISOS-L-1 协议下，对照器件初始效率 22.82%，前 400 h 保持稳定，400 h 至 600 h 之间陡降；TIE 器件运行 1,500 h 后保持初始效率（23.73%）的 95%。T80 寿命统计显示，对照器件的分布从数十小时到超过 1,800 h，TIE 器件集中在 1,800 h 附近，92% 的器件 T80 达到 1,400 h。ISOS-L-2 协议把温度升到 85 °C 后，老化 800 h 时四个 TIE 器件全部保持初始效率（约 23%）的 90% 以上，对照器件常在 200 h 内灾难性失效。截面 TEM 显示对照器件的失效位置在钙钛矿/ETL 异质界面，TIE 器件保持完好。热循环测试中，TIE 器件在 300 次循环后效率几乎不衰减，对照器件保持 84%；湿热测试中，TIE 器件在 1,000 h 内保持初始效率的 90%，对照器件不到 50%。

结论

TIE 用共价键合的跨界面聚合物网络同时处理两件事：把钙钛矿层与电子传输层在力学上连成一体，把界面缺陷钝化。效率的提升来自电荷提取的改善，稳定性的提升来自运行中力学失效的减少，这也解释了 TIE 器件之间 T80 分布收窄的原因。作者指出，自由基衍生的共聚网络可能发生长期老化，当前概念验证器件已经通过多项加速老化协议；后续方向是引入本征更稳定的单体，并控制器件结构内的原位聚合。

美能钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT

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钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+级LED太阳光模拟器作为老化光源，并在上一代基础上完成全面进阶：光谱范围拓展至300~1700 nm（AM0）、光谱等级达到AAA（AM0）、支持 24 通道独立可调，为钙钛矿太阳能电池、太空光伏及叠层电池（2T/3T/4T）的研究提供了强有力的支持。

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美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT不仅是性能验证工具，更是钙钛矿与叠层太阳能电池研究的高效测试平台。

原文参考：Trans-interface engineering for reliable perovskite solar cells with reproducible stability

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