鈣鈦礦太陽能電池因其優(yōu)異的光電特性、溶液可加工性及低制造成本而備受關(guān)注，但其在光照、濕度、熱量等環(huán)境應(yīng)力下的電池退化問題嚴(yán)重制約了其商業(yè)化進(jìn)程。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。

本文提出了一種針對(duì)鈣鈦礦電池埋入界面的構(gòu)象工程策略，通過從1,1 - 二苯乙烯（DPE）逐步演變?yōu)?/span>1 - 辛基 - 2-（1 - 苯基乙烯基）苯（OPVB）和二乙氨基羥基苯甲酰基己基苯甲酸酯（DHHB），實(shí)現(xiàn)了對(duì)添加劑功能的系統(tǒng)優(yōu)化，包括紫外屏蔽、應(yīng)力調(diào)控和化學(xué)鈍化。研究通過原位表征技術(shù)揭示了在光暗循環(huán)過程中，動(dòng)態(tài)界面應(yīng)力調(diào)控對(duì)提升電池穩(wěn)定性的關(guān)鍵作用。

多功能分子設(shè)計(jì)與構(gòu)象工程

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a. DPE、OPVB和DHHB的分子結(jié)構(gòu)及功能演化示意圖。b. 通過玻璃膨脹儀測(cè)量的DPE和OPVB的熱膨脹系數(shù)。c. DHHB的晶面間距與溫度的關(guān)系，據(jù)此可計(jì)算其CTE。d. DPE、OPVB、DHHB和鈣鈦礦薄膜的CTE對(duì)比。e. 電池性能與機(jī)械彎曲循環(huán)次數(shù)之間的相關(guān)性。f. 通過掠入射X射線衍射測(cè)量的埋入界面處晶面間距的演變。g-i. DPE修飾 (g)、OPVB修飾 (h) 和 DHHB修飾 (i) 的薄膜的歸一化光致發(fā)光光譜隨厚度的變化。

本研究篩選了三種分子：DPE、OPVB和DHHB。DPE具有剛性共軛骨架，可有效吸收紫外光；通過在DPE骨架中引入柔性辛基鏈，構(gòu)建了具有構(gòu)象自由度的OPVB，使其具備通過熱膨脹調(diào)節(jié)應(yīng)力的能力；進(jìn)一步引入羥基和羰基官能團(tuán)，得到DHHB，使其兼具紫外屏蔽、應(yīng)力調(diào)控和缺陷鈍化三種功能。

通過對(duì)比不同分子修飾電池的性能，研究發(fā)現(xiàn)僅具有紫外吸收功能的DPE對(duì)效率提升有限，而OPVB和DHHB修飾的電池在開路電壓、填充因子和最終效率方面均有顯著提升。DHHB修飾的最佳電池實(shí)現(xiàn)了26.47%的光電轉(zhuǎn)換效率，并在20.5 cm2活性面積的組件中達(dá)到22.67%，顯示出良好的可擴(kuò)展性。

應(yīng)力調(diào)控機(jī)制與界面優(yōu)化

a, b. 參比、DPE、OPVB和DHHB修飾的鈣鈦礦薄膜在埋入界面處的Pb 4f (a) 和 I 3d (b) 的XPS譜圖，其中灰色虛線標(biāo)示了參比鈣鈦礦薄膜的峰位。c. 參比、DPE、OPVB和DHHB修飾的鈣鈦礦薄膜在埋入界面處的XRD圖譜。d. 通過XPS分析得到的參比和DPE/OPVB/DHHB修飾的鈣鈦礦薄膜在埋入界面處的I/Pb比值和Pb?/(Pb? + Pb2?)比值。e. 通過XRD分析得到的參比和DPE、OPVB、DHHB修飾的鈣鈦礦薄膜在埋入界面處的PbI?/(001)峰強(qiáng)度比和(001)峰的半高寬值。f-i. 參比 (f)、DPE修飾 (g)、OPVB修飾 (h) 和 DHHB修飾 (i) 的鈣鈦礦薄膜在埋入界面處的PL mapping圖。

通過熱膨脹系數(shù)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)OPVB和DHHB的CTE分別為8.46×10?? K?1和9.18×10?? K?1，遠(yuǎn)高于鈣鈦礦本身的4.60×10?? K?1，表明其能在溫度變化時(shí)通過自身膨脹緩解界面應(yīng)力。XRD和PL光譜分析表明，未退火鈣鈦礦膜存在約46 MPa的拉伸應(yīng)力，而OPVB和DHHB修飾后，埋入界面處的拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微壓應(yīng)力，有利于提升相穩(wěn)定性和電池性能。

二維PL mapping顯示，OPVB和DHHB修飾的薄膜在埋入界面處熒光強(qiáng)度更高且分布更均勻，DHHB因具備化學(xué)鈍化能力，表現(xiàn)出最強(qiáng)的PL強(qiáng)度。通過PLQY測(cè)試進(jìn)一步區(qū)分了應(yīng)力調(diào)控和化學(xué)鈍化的貢獻(xiàn)：在無應(yīng)力影響的玻璃/鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，DHHB顯著提升PLQY，表明其優(yōu)異的鈍化效果；而在玻璃/SnO?/鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，OPVB通過應(yīng)力調(diào)控也顯著提升了PLQY。

光伏性能與穩(wěn)定性評(píng)估

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a. DHHB修飾的鈣鈦礦薄膜的截面SEM圖像。b. 性能最佳電池的J-V曲線（反向掃描）。c. DHHB修飾鈣鈦礦電池的EQE光譜及其一階導(dǎo)數(shù)曲線。d. 參比、DPE、OPVB和DHHB修飾鈣鈦礦電池的電壓損失對(duì)比。S–Q代表Shockley–Queisser極限。e. DHHB修飾鈣鈦礦組件的J-V曲線。f. 參比、DPE、OPVB和DHHB修飾鈣鈦礦電池的離子遷移活化能統(tǒng)計(jì)對(duì)比。g-i. DPE修飾 (g)、OPVB修飾 (h) 和 DHHB修飾 (i) 的寬禁帶（1.67 eV）鈣鈦礦電池在連續(xù)光照下的PL光譜。j. 遵循ISOS-L-II協(xié)議的參比、DPE、OPVB和DHHB修飾鈣鈦礦電池在最大功率點(diǎn)跟蹤下的連續(xù)光照穩(wěn)定性。k. 遵循ISOS-LC-1協(xié)議的參比、DPE、OPVB和DHHB修飾鈣鈦礦電池的晝夜循環(huán)穩(wěn)定性。

在n-i-p結(jié)構(gòu)中，OPVB通過應(yīng)力調(diào)控提升了VOC和FF，而DHHB進(jìn)一步通過協(xié)同作用將電壓損失降至68 mV，顯著抑制了非輻射復(fù)合。離子遷移激活能測(cè)試表明，DHHB修飾的電池Ea最高（0.342 eV），說明其能有效抑制離子遷移。

在寬禁帶鈣鈦礦電池中，DHHB修飾的電池在45分鐘光照后相分離抑制效果最佳，相對(duì)參比電池提升達(dá)75.6%。穩(wěn)定性測(cè)試顯示，DHHB修飾的電池在ISOS-L-II連續(xù)光照下經(jīng)過1,132小時(shí)仍保持96.2%的初始效率，T??壽命達(dá)3,434小時(shí)；在ISOS-LC-1光暗循環(huán)測(cè)試中，經(jīng)過348小時(shí)仍保持88.8%的效率，T??壽命超過630小時(shí)。

光暗循環(huán)下的電池穩(wěn)定性機(jī)制

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a. 參比鈣鈦礦在埋入界面處各狀態(tài)下的應(yīng)力變化。b. 鈣鈦礦埋入界面在各狀態(tài)下晶格狀態(tài)變化的示意圖。紅色虛線圓圈表示鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的缺陷，包括離子空位缺陷、離子反位缺陷等。c-f. 參比鈣鈦礦埋入界面在初始暗態(tài) (c)、首次光照 (d)、轉(zhuǎn)入暗條件 (e) 和再次光照 (f) 條件下的PL mapping圖。統(tǒng)計(jì)PL強(qiáng)度標(biāo)尺范圍為500至2,500。g. DHHB修飾鈣鈦礦在埋入界面處各狀態(tài)下的應(yīng)力變化。h. DHHB修飾鈣鈦礦埋入界面在各狀態(tài)下晶格狀態(tài)變化的示意圖。i-l. DHHB修飾鈣鈦礦埋入界面在初始暗態(tài) (i)首次光照 (j)轉(zhuǎn)入暗條件 (k) 和再次光照 (l) 條件下的PL mapping圖。

在模擬實(shí)際晝夜溫度循環(huán)的條件下，參比電池在光照時(shí)部分釋放初始拉伸應(yīng)力，但在冷卻過程中應(yīng)力加劇并誘發(fā)缺陷形成。隨著循環(huán)次數(shù)增加，晶格釋放應(yīng)變能力下降，缺陷累積導(dǎo)致性能衰減。而DHHB修飾的電池在整個(gè)光暗循環(huán)中保持規(guī)律的應(yīng)力變化和穩(wěn)定的光學(xué)性能，PL mapping顯示其熒光強(qiáng)度高且分布均勻，表明其具備優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

本研究通過逐步分子設(shè)計(jì)構(gòu)建了具有紫外屏蔽、應(yīng)力調(diào)控和化學(xué)鈍化三重功能的DHHB分子，系統(tǒng)解耦了各功能對(duì)電池性能與穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。DHHB修飾的電池在小面積和組件中分別實(shí)現(xiàn)了26.47%和22.67%的高效率，并在連續(xù)光照和光暗循環(huán)測(cè)試中表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性。該研究為鈣鈦礦光伏電池的商業(yè)化提供了一種創(chuàng)新的多功能分子工程范式。

美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀

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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：In situ dynamic regulation of strain at the buried interface of stable perovskite solar cells

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