單片集成的鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池因其高效率與潛在的低成本優(yōu)勢，已成為突破單結電池理論效率極限（33.7 %）的重要途徑。在p-i-n型鈣鈦礦結構中，自組裝分子（SAMs）作為可調(diào)控的空穴傳輸層，能夠優(yōu)化能級對齊、抑制界面復合，從而提升電池性能。然而，在工業(yè)化中廣泛采用的紋理化硅襯底上，傳統(tǒng)烷基鏈SAMs易發(fā)生團聚，導致覆蓋不均勻，嚴重制約了疊層電池的效率與穩(wěn)定性。美能鈣鈦礦復合式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。

近期研究發(fā)現(xiàn)，部分商用SAM材料中的微量雜質可能對電池性能產(chǎn)生意外影響。本研究系統(tǒng)探究了溴（Br）雜質在基于二苯并[c,g]咔唑的SAMs中的作用，并在此基礎上設計出兼具共軛連接體與溴取代的混合SAM體系，顯著提升了紋理化鈣鈦礦/硅疊層電池的電荷提取效率與界面穩(wěn)定性。

溴雜質的發(fā)現(xiàn)與分子設計

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A. 商用4PADCB的核磁共振氫譜中出現(xiàn)的溴代雜質信號。B. 純相Bz-PhpPACz單晶結構顯示C10位存在溴/氫共存現(xiàn)象。C. 不同Bz-PhpPACz/Bz-PhpPABrCz混合比例對單結電池性能的影響。D. 不同SAM在平滑ITO與粗糙FTO襯底上制備的電池填充因子對比。E. 在FTO上基于三種SAM的最佳單結電池電流-電壓特性曲線。F. 鈣鈦礦在FTO與ITO上的表面形貌對比（掃描電鏡圖）

本研究以商用SAM材料4PADCB（C-4PADCB）為起點，通過1H NMR譜分析發(fā)現(xiàn)其中存在微量溴代雜質4PABrDCB。進一步通過單晶X射線衍射證實，該雜質來源于分子中特定碳位（C10）的溴取代。這一意外發(fā)現(xiàn)解釋了為何C-4PADCB在疊層電池中表現(xiàn)出優(yōu)于純共軛型SAM（Bz-PhpPACz）的性能。

基于此，研究團隊合成了結構明確的溴代衍生物Bz-PhpPABrCz，并將其與Bz-PhpPACz按8:1體積比混合，形成“Mix”二元SAM體系。該設計融合了共軛連接體促進分子緊密堆積的優(yōu)勢，以及溴原子增強界面鈍化與能級對齊的作用。

分子在紋理襯底上的行為與界面性質

A. 不同SAM在ITO/硅底電池上的表面覆蓋因子及引起的功函數(shù)變化。B. 鈣鈦礦與不同SAM/ITO體系的能帶對齊示意圖。C. 分子密度隨距離ITO表面高度的分布曲線。D. 分子動力學模擬展示不同SAM在ITO表面的吸附分布狀態(tài)。E. 分子/ITO界面處的電荷密度差分圖。F. DFT計算得到的分子堆疊能與界面相互作用能對比

覆蓋度與能級排列

通過X射線光電子能譜（XPS）分析，Mix與Bz-PhpPACz在紋理化ITO/硅襯底上的覆蓋因子顯著高于C-4PADCB。

紫外光電子能譜（UPS）顯示，Mix引起更大的功函數(shù)下移（0.42 eV），有利于降低空穴提取勢壘。

密度泛函理論計算表明，溴原子的高電負性與分子偶極矩共同促進了這一能級調(diào)控。

分子堆積與吸附行為

分子動力學模擬顯示，Mix在ITO表面上分布更均勻，而單一分子（如4PADCB或Bz-PhpPABrCz）則呈現(xiàn)聚集或無序排列。

徑向分布函數(shù)分析進一步證實，共軛連接體有利于形成有序的π-π堆積結構，而溴的引入可通過分子間相互作用調(diào)節(jié)堆積方式。

與鈣鈦礦的界面相互作用

DFT計算表明，Bz-PhpPABrCz與鈣鈦礦表面存在較強的相互作用，溴原子可與未配位的Pb2?形成弱配位鍵，有效鈍化界面缺陷，促進電荷轉移。

溴對鈣鈦礦結晶與薄膜質量的影響

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A. 不同SAM上鈣鈦礦薄膜的二維掠入射X射線散射圖譜。B. 鈣鈦礦（001）晶面取向的方位角分布。C. 基于X射線衍射數(shù)據(jù)威廉森-霍爾圖計算的薄膜微應變。D. 鈣鈦礦薄膜的光學反射成像圖。E. 鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光空間分布圖。F. 不同SAM上鈣鈦礦準費米能級分裂值的統(tǒng)計分布。G. 準費米能級分裂的空間分布映射圖

晶體取向與應變

掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）分析顯示，純Bz-PhpPACz上沉積的鈣鈦礦呈現(xiàn)垂直于襯底的取向，而Mix體系則使晶體取向更均勻。

Williamson-Hall方法分析XRD數(shù)據(jù)表明，Mix體系對應的鈣鈦礦薄膜晶格微應變最低（0.75），而純Bz-PhpPACz和C-4PADCB分別為1.2和0.91。溴的引入可能通過鹵素-鹵素鍵的形成釋放殘余應力，從而減少薄膜褶皺。

光電性能與載流子動力學

絕對光致發(fā)光成像與準費米能級分裂（QFLS）測試表明，Mix體系鈣鈦礦薄膜具有更高的PL強度與更均勻的Δμ分布（1.32 eV），說明其界面質量更高、非輻射復合更少。

界面電荷轉移與復合機制

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A. 波長分辨瞬態(tài)表面光電壓測試示意圖。B. 在不同激發(fā)光子能量（對應硅體、硅前表面及鈣鈦層激發(fā)）下，基于不同SAM的疊層電池的瞬態(tài)光電壓響應。C. 不同分子的靜電勢表面分布圖

采用波長依賴的瞬態(tài)表面光電壓（Tr-SPV）技術，在不同激發(fā)能量下（1.1 eV、1.5 eV、1.8 eV）研究了疊層結構中的電荷提取與復合動力學：

在1.1 eV（硅體激發(fā)）與1.5 eV（硅近表面激發(fā)）下，Mix樣品表現(xiàn)出更高的SPV信號與更快的電荷分離，說明其界面鈍化效果更好、非輻射復合更低。

在1.8 eV（鈣鈦礦激發(fā)）下，Mix樣品在早期即出現(xiàn)明顯的負向SPV“凸起”，對應空穴在ITO/SAM界面的快速提取，且?guī)缀鯚o正信號（電子陷阱積累），表明其界面陷阱密度顯著低于其他體系。

疊層電池性能與穩(wěn)定性

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A. 電池截面結構示意圖。B. 基于不同SAM的最佳疊層電池的電流-電壓特性曲線及對應性能參數(shù)表。C. 疊層電池的外量子效率與光反射損失譜。D. 不同批次電池的開路電壓與轉換效率統(tǒng)計分布。E. 基于不同SAM的寬禁帶單結電池在連續(xù)光照下的最大功率點跟蹤穩(wěn)定性測試結果

光電轉換效率

基于工業(yè)級切克勞斯基（CZ）硅襯底，使用Mix SAM的鈣鈦礦/硅疊層電池實現(xiàn)了31.4 %的最高效率（VOC=1.98 V，F(xiàn)F=77.9%，JSC=20.6 mA/cm2），顯著優(yōu)于C-4PADCB（30.0%）與純Bz-PhpPACz（27.8%）體系。外量子效率（EQE）測試顯示各子電池電流匹配良好。

穩(wěn)定性

在氮氣環(huán)境中對1.68 eV寬禁帶單結電池進行最大功率點跟蹤測試（45°C，1 sun LED照明），1000小時后Mix體系電池仍保持初始效率的97%，而C-4PADCB與純Bz-PhpPACz分別降至82%與86%。在65°C高溫下，Mix體系仍保持91%的初始輸出，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐熱與光穩(wěn)定性。穩(wěn)定性提升歸因于共軛連接體帶來的緊密分子堆積，以及溴原子對界面缺陷的持續(xù)鈍化。

本研究發(fā)現(xiàn)并驗證了在SAM分子中合理引入溴官能團與共軛連接體的協(xié)同優(yōu)勢。溴元素能夠鈍化界面缺陷、調(diào)節(jié)能級對齊、釋放鈣鈦礦晶格應變；而共軛結構則促進了分子在粗糙紋理表面的致密、有序堆積，提升了覆蓋度與電荷傳輸效率。兩者結合形成的二元混合SAM，成功解決了紋理鈣鈦礦/硅串聯(lián)電池中界面電荷提取與穩(wěn)定性難題，最終實現(xiàn)了超過31%的光電轉換效率。此外，研究也提醒了商業(yè)SAM材料中無意雜質可能對界面性能產(chǎn)生的顯著影響，強調(diào)了材料純度控制與分子設計的重要性。這項工作為面向產(chǎn)業(yè)化應用的鈣鈦礦/硅串聯(lián)電池界面工程提供了重要的分子設計見解與材料解決方案。

鈣鈦礦復合式MPPT測試儀

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美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀采用A+AA+級LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進的技術和多功能設計，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

美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀主要應用于成品鈣鈦礦單結，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：Enhanced charge extraction in textured perovskitesilicon tandem solar cells via molecular contact functionalization

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