鈣鈦礦太陽能電池雖在實驗室小面積電池中取得了超過27%的驚人效率，但在向大面積模組推廣時，其性能出現(xiàn)顯著衰減。這一瓶頸的核心在于鈣鈦礦與電子傳輸層（如SnO?）之間的“埋底界面”。在放大制備過程中，該界面缺陷加劇、非輻射復(fù)合顯著增強，導(dǎo)致嚴重的載流子損失，從而制約了模組的效率與穩(wěn)定性。美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用AAA級LED太陽光模擬器作為老化光源，可通過多種方式對電池進行控溫并控制電池所處的環(huán)境氛圍，進行長期的穩(wěn)定性能測試。

本研究提出了一種創(chuàng)新的界面工程策略：采用一種綠色、水溶性的四磺酸基卟啉分子（ZnTPPS） 作為界面修飾層。該分子設(shè)計巧妙，能通過其兩側(cè)的磺酸基團，分別與SnO?層的Sn原子和鈣鈦礦中的Pb離子形成穩(wěn)固的化學(xué)配位，如同“分子錨”一樣垂直固定在界面，有效鈍化缺陷。同時，該分子具有強大的固有偶極矩（10.12 D），能在界面處建立內(nèi)置電場，顯著促進電子的提取與傳輸。這項工作為攻克鈣鈦礦光伏技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用中的界面難題，提供了一條高效且環(huán)境友好的解決路徑。

解決方案：綠色卟啉分子設(shè)計

a) 卟啉分子結(jié)構(gòu)式；b) 卟啉分子的靜電勢分布圖；c) 結(jié)合能計算和電荷密度差分圖；修飾前后SnO?的d) Sn 3d和e) O 1s 的XPS譜圖；修飾前后鈣鈦礦（PVSK）的f)Pb 4f 、g)I 3d 的XPS譜圖；h, i)FTIR光譜

為解決這一難題，本研究設(shè)計了一種名為ZnTPPS的水溶性四磺酸基卟啉分子作為界面“橋梁”。該分子的核心優(yōu)勢在于：

雙面錨定：其四個磺酸基團中的兩個與SnO?表面的Sn原子牢固結(jié)合，另外兩個則與鈣鈦礦中的Pb離子配位，從而垂直錨定在界面，像“分子膠水”一樣緊密連接兩層。

強偶極矩：磺酸基的強吸電子特性，與鋅離子中心形成顯著的電勢差，賦予分子高達10.12 D的強固有偶極矩。這如同在界面建立了一個內(nèi)置電場，極大地促進了電子從鈣鈦礦向SnO?的快速提取與傳輸。

實驗設(shè)計與材料制備

ZnTPPS 的設(shè)計與優(yōu)勢

ZnTPPS 通過乙酸鋅與 TPPS 的金屬化反應(yīng)制備，其最大特點是水溶性優(yōu)異—— 四個磺酸基團使其可通過水溶液工藝輕松修飾 SnO?表面，避免了傳統(tǒng)有機修飾劑依賴有機溶劑的環(huán)境問題。

為驗證ZnTPPS的優(yōu)勢，研究以自由堿卟啉（H?TPPS）、未磺化卟啉（ZnTPP）及其他金屬化卟啉（CuTPPS、NiTPPS）作為對照，結(jié)果顯示：Zn（II）的全充滿 d1?構(gòu)型能促進軌道極化與電荷離域，而 Cu（II）（d?）、Ni（II）（d?）會產(chǎn)生局域電子態(tài)，反而抑制電荷傳輸。

電池與組件制備流程

太陽能電池制備：先將氟摻雜氧化錫（FTO）玻璃基板用丙酮、去離子水、異丙醇依次超聲清洗；通過 CBD 法沉積致密 SnO? ETL，隨后用 ZnTPPS 水溶液進行表面修飾；鈣鈦礦前驅(qū)體（含 PbI?、FAI、MACl 等）通過兩步旋涂成膜，經(jīng)退火后形成鈣鈦礦層；

再沉積 MeO-PEAI 表面鈍化層與 Spiro-OMeTAD 空穴傳輸層（HTL），穩(wěn)定性測試中則用無 Li-TFSI 的 PEDOT：CuPC 雜化 HTL 替代；最后熱蒸發(fā)金電極，并旋涂抗反射涂層，所有步驟均在受控氣氛（20-25℃，濕度 < 20%）下完成。

太陽能組件制備：基礎(chǔ)流程與電池一致，額外增加三步激光刻蝕（P1 刻蝕 FTO、P2 刻蝕鈣鈦礦與 HTL 以暴露 FTO、P3 分離金屬與功能層），實現(xiàn)多個電池單元的串聯(lián)

實驗結(jié)果與核心機制

理論計算和實驗表征共同揭示了ZnTPPS的工作機制和卓越效果：

a) 未修飾SnO?和b)ZnTPPS修飾后SnO?的SEM圖像；c) 未修飾SnO?薄膜和d) ZnTPPS修飾后SnO?薄膜的AFM圖像；e)未修飾SnO?薄膜和f) ZnTPPS修飾后SnO?薄膜的C-AFM分析；g)修飾前后SnO?薄膜的透射光譜；h)在修飾前后SnO?薄膜上的接觸角測試

SnO?層優(yōu)化：XPS和FTIR光譜直接證明了ZnTPPS與SnO?和鈣鈦礦均形成了穩(wěn)定的化學(xué)配位，有效鈍化了界面缺陷。電子電池的測試表明，界面陷阱密度從3.14×101? cm?3大幅降至1.27×101? cm?3。

a) 從器件中剝離埋底界面的示意圖；b) 從未修飾SnO?和c) 從ZnTPPS修飾SnO?上剝離的鈣鈦礦薄膜底面SEM圖像；d) 修飾前后鈣鈦礦薄膜形成過程的原位GIWAXS測量；e) 未修飾基底和f) ZnTPPS修飾基底上鈣鈦礦薄膜的2D GIWAXS圖（X射線入射角0.3°）；g) 從薄膜頂部測量和h) 從ETL側(cè)測量的PL光譜；i) 電子器件的電流-電壓曲線

鈣鈦礦結(jié)晶改善：ZnTPPS修飾提高了SnO?薄膜的平整度和導(dǎo)電性，并增強了其表面潤濕性，引導(dǎo)鈣鈦礦形成更均勻、結(jié)晶質(zhì)量更高的薄膜。原位GIWAXS顯示，修飾后鈣鈦礦的結(jié)晶過程更緩慢、可控，最終獲得晶粒更大、缺陷更少的活性層。

不同ψ角下，a)SnO?上鈣鈦礦薄膜和b)SnO?/ZnTPPS上鈣鈦礦薄膜的GIXRD圖譜；c)對應(yīng)衍射峰（2θ）的殘余應(yīng)變隨sin2ψ的變化關(guān)系；d)未修飾SnO?和e)ZnTPPS修飾后SnO?的表面電勢圖；f)在未修飾SnO?和g)在ZnTPPS修飾SnO?上沉積鈣鈦礦薄膜后的表面電勢圖；h)器件中各層的能級示意圖；i)修飾前后SnO?的UPS譜圖

優(yōu)化能級：KPFM和UPS測試表明，ZnTPPS的強偶極矩優(yōu)化了SnO?與鈣鈦礦之間的能級對齊，降低了電子注入勢壘，從而提升了電荷分離效率，抑制了復(fù)合。

緩解應(yīng)變：GIXRD分析發(fā)現(xiàn)，ZnTPPS修飾還有助于釋放鈣鈦礦薄膜在生長過程中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的壓應(yīng)力，提升了電池的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

卓越的性能與穩(wěn)定性

a) 不同光強下，SnO?和ZnTPPS修飾SnO?基底上鈣鈦礦薄膜的QFLS圖；b) 基于QFLS-光強關(guān)系繪制的偽J-V曲線；c) 計算的SnO?和SnO?/ZnTPPS基底上鈣鈦礦薄膜的QFLS圖；d) 器件的暗態(tài)I-V曲線；e) Mott-Schottky分析；f) EIS譜圖；g, i) ZnTPPS/SnO?界面和h, j) ZnTPPS/鈣鈦礦界面的的電荷密度差分（Δρ）映射圖及其沿z軸的積分剖面圖。k, l) 界面的局域態(tài)密度（LDOS）圖

基于此策略制備的電池實現(xiàn)了破紀錄的效率：

小面積電池（<0.1 cm2）?的最高效率達到26.66%。

大面積迷你模組（21.54 cm2）的效率達到24.49%（并獲得23.95%的獨立認證），這是目前n-i-p結(jié)構(gòu)模組的最高效率之一。其填充因子超過84%，同樣處于頂尖水平。

a) 器件的截面SEM圖像；b) 最佳性能PSCs的正向（FS）和反向（RS）掃描J-V曲線；c) 6 × 6 cm2 鈣鈦礦模組（8個子電池）照片；d) 相同曝光時間下，在有無ZnTPPS處理的SnO?基底上鈣鈦礦薄膜的PL mapping圖；e) 最佳PSM的電流-電壓（I-V）曲線；f) PSM的效率演變（與文獻對比）；g) 在1個太陽光模擬照射下連續(xù)進行1537小時的最大功率點（mpp）跟蹤

更重要的是，ZnTPPS修飾帶來了顯著的穩(wěn)定性提升。在連續(xù)1500小時的最大功率點跟蹤測試后，采用穩(wěn)健空穴傳輸層的修飾電池仍能保持90%的初始效率，遠優(yōu)于未修飾電池的70%，展現(xiàn)出優(yōu)異的運行耐久性。

本研究提出了一種基于ZnTPPS 的界面工程策略，通過“雙重配位 + 強偶極矩”的協(xié)同機制，有效解決了 n-i-p 鈣鈦礦電池規(guī)模化的界面難題：既實現(xiàn)了SnO?/ 鈣鈦礦界面的缺陷鈍化，又增強了載流子傳輸效率，最終使小面積電池 PCE 達 26.66%、大面積組件PCE 達 24.49%（認證 23.95%），且具備優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。該策略不僅環(huán)境友好（水溶液加工）、可規(guī)?；?，還為鈣鈦礦光電電池的界面設(shè)計提供了通用思路，有望推動鈣鈦礦光伏技術(shù)從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用。

鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀

Millennial Solar

美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用A+AA+級LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進的技術(shù)和多功能設(shè)計，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強有力的支持。

• 3A+光源，光源壽命10000h+，真實還原各場景實際光照條件

可選配恒溫恒濕箱，滿足IS0S標(biāo)準

多型號電子負載可選，多通道獨立運行

不同波段光譜輸出可調(diào)：7.350-400nm/400-750nm/750-1150nm均獨立可控

美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀主要應(yīng)用于成品鈣鈦礦單結(jié)，疊層成品電池穩(wěn)定性測試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環(huán)境因素影響，其最大功率點會頻繁波動。MPPT控制器通過實時追蹤并鎖定最大功率點，能確保系統(tǒng)始終以最優(yōu)功率輸出。這不僅能最大化發(fā)電量，還能提升整個光伏系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

原文參考：Green Porphyrin Interface Anchoring Enables >24% Efficiency in n-i-p Perovskite Solar Minimodules

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