鈣鈦礦太陽能電池因高效率與缺陷容忍性成為新一代光伏技術(shù)的重要候選，但其在太空等高輻射、極端環(huán)境下的長期穩(wěn)定性面臨嚴峻挑戰(zhàn)，質(zhì)子輻射易引發(fā)鈣鈦礦晶格結(jié)構(gòu)損傷、有機組分降解及缺陷態(tài)形成，導(dǎo)致電池性能嚴重衰退。美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過無接觸式測試，監(jiān)測各個工藝段中的異常，了解單節(jié)疊層鈣鈦礦電池的缺陷分布信息。

本研究提出一種氧化鈰（CeO?）與正辛基碘化銨（OAI）協(xié)同的“雙鈍化”后處理策略。氧化鈰憑借其高位移能、氧化還原活性及輻射屏蔽特性，可有效抑制質(zhì)子輻照誘導(dǎo)的空位形成與化學鍵斷裂，同時增強晶界穩(wěn)定性與結(jié)晶質(zhì)量；OAI則優(yōu)化界面能級對齊，提升空穴提取效率并降低非輻射復(fù)合。該復(fù)合處理使電池在保持高效率的同時，顯著提升了其在質(zhì)子輻照、持續(xù)光照及濕熱條件下的耐久性，為發(fā)展適用于太空等惡劣環(huán)境的耐輻射鈣鈦礦光伏技術(shù)提供了有效途徑。

研究思路與材料設(shè)計

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受太空組件輻射屏蔽蓋板材料啟發(fā)，本研究將氧化鈰引入鈣鈦礦活性層。氧化鈰具有高原子序數(shù)、高鍵能及抗輻照的螢石結(jié)構(gòu)，但其n型特性可能與傳統(tǒng)p型空穴傳輸層形成不利能帶偏移。

為此，我們同步引入具有p型特性的正辛基碘化銨作為共鈍化劑，調(diào)控界面能級、促進空穴提取。兩者結(jié)合形成的“OC處理”可協(xié)同鈍化晶界與表面，平衡界面電學性質(zhì)，從而實現(xiàn)更高效的電荷收集與更低的復(fù)合損失。

模擬分析與材料制備

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(a) 0.05 MeV質(zhì)子能量的SRIM/TRIM模擬結(jié)果。(b) 總空位數(shù)與(c) 氫空位數(shù)隨鈰濃度的變化關(guān)系。(d-f) 不同CeO?比例下，空間環(huán)境信息系統(tǒng)模擬的(d) 非電離能量損失、(e) 電離能量損失及(f) IEL/NIEL比值隨粒子能量的變化關(guān)系

通過SRIM模擬質(zhì)子與鈣鈦礦的相互作用，發(fā)現(xiàn)0.05 MeV質(zhì)子在鈣鈦礦層中產(chǎn)生顯著空位，適合模擬空間輻射環(huán)境。進一步模擬表明，隨著鈰含量增加，總空位及氫空位數(shù)量明顯下降，說明鈰具有抑制輻照缺陷的作用。非電離與電離能量損失分析也證實，氧化鈰摻入可減輕質(zhì)子導(dǎo)致的晶格損傷與電離效應(yīng)。

在材料制備方面，采用溶液后處理法將CeO?納米顆粒與OAI共分散于異丙醇中，旋涂于鈣鈦礦薄膜表面并退火。ToF-SIMS深度分析表明鈰離子在吸收層內(nèi)均勻分布。結(jié)構(gòu)表征顯示OC處理薄膜結(jié)晶度提高，晶格略有收縮，XPS結(jié)合能位移說明CeO?可能與晶界處未配位的Pb2?、I?產(chǎn)生靜電協(xié)調(diào)作用。

光電性能與穩(wěn)定性

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(a) 鈣鈦礦器件結(jié)構(gòu)示意圖，展示了在鈣鈦礦層上的OAI、CeO?及OC處理層。(b) 飛行時間二次離子質(zhì)譜分析結(jié)果。(c) 不同處理條件下（參比、CeO?、OAI、OC）的穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光PL譜。(d) 參比、CeO?、OAI及OC樣品在反向掃描下的J-V曲線。(e) 不同處理條件下鈣鈦礦太陽能電池器件的EQE譜。(f) 參比、CeO?、OAI及OC樣品的最大功率點跟蹤穩(wěn)定性測試結(jié)果

光電測試表明，OC處理電池在反向掃描中獲得最佳性能：VOC=1.19 V，F(xiàn)F=82.3 %，PCE=24.9 %。

穩(wěn)態(tài)與時間分辨光致發(fā)光PL顯示OC樣品具有最高的發(fā)光強度與載流子壽命（207.5 ns），證實氧化鈰與OAI在抑制非輻射復(fù)合方面具有協(xié)同效應(yīng)。

外量子效率EQE在全光譜范圍內(nèi)均獲提升。

穩(wěn)定性方面，最大功率點MPPT跟蹤測試顯示OC電池在持續(xù)光照1050小時后仍保持83%的初始效率，顯著優(yōu)于參比樣品。

濕熱測試中OC電池也表現(xiàn)出更長的壽命維持。開爾文探針力顯微鏡分析表明，OC處理能優(yōu)化表面電勢分布，有利于電荷提取。

質(zhì)子輻照耐受性分析

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(a, b) 不同質(zhì)子注量下，參比與OC鈣鈦礦薄膜的PbI?及(100)晶面XRD圖譜。(c) 水分、光照、熱量及質(zhì)子輻照誘導(dǎo)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)降解的機制示意圖。(d, e) 注量為2×101? p/cm2時，參比與OC樣品的表面SEM圖像；(f, g) 注量為2×101? p/cm2時的表面SEM圖像。(h, i) 注量為2×101? p/cm2時，參比與OC樣品的截面SEM圖像；(j, k) 注量為2×101? p/cm2時的截面SEM圖像

對OC與參比樣品進行系統(tǒng)質(zhì)子輻照實驗（0.05 MeV，注量2×1012–2×101? p/cm2）。XRD分析表明，隨著注量增加，參比樣品鈣鈦礦（100）衍射峰逐漸寬化、強度降低，而OC樣品在2×101? p/cm2注量以下仍保持較高結(jié)晶完整性。SEM結(jié)果顯示OC樣品表面孔洞和體層空洞形成更少、更晚。

(a) 參比與(b) OC樣品在質(zhì)子輻照前后C≡N鍵的傅里葉變換紅外光譜波數(shù)位移。(c) 參比與(d) OC樣品在質(zhì)子輻照前及經(jīng)歷2×1012至2×101? p/cm2注量輻照后的N 1s XPS譜

FTIR與XPS分析揭示，輻照后參比樣品中C≡N鍵發(fā)生藍移，N 1s譜出現(xiàn)質(zhì)子化胺信號，表明有機陽離子受損；而OC樣品化學鍵變化顯著較小，說明氧化鈰有助于維持有機組分的結(jié)構(gòu)完整性。

(a, b) 參比與OC樣品的時間分辨光致發(fā)光結(jié)果。(c) 穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光結(jié)果，比較了輻照與非輻照樣品的ΔPLMAX/PLMAX輻照前比值。(d) 接觸電勢差隨不同質(zhì)子輻照注量水平的變化。(e) 質(zhì)子輻照誘導(dǎo)晶界損傷的示意圖。(f) 質(zhì)子輻照影響下晶界處能帶彎曲的示意圖

(a) 質(zhì)子輻照后鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖，展示了PTAA與金電極的沉積。(b) 不同質(zhì)子輻照注量下，參比與OC樣品的剩余效率參數(shù)。(c) 不同質(zhì)子輻照注量下，OC與參比樣品的歸一化參數(shù)比值。(d, e) 不同質(zhì)子輻照注量下，參比與OC樣品的外量子效率譜

電學性能方面，OC電池在2×101? p/cm2注量下效率僅下降約19%，遠低于參比電池的25%降幅，各參數(shù)（JSC、FF、VOC）的下降幅度均更小?？臻g電荷限制電流測試進一步證實，OC樣品在輻照后的陷阱態(tài)密度增加更少。

本研究通過OAI輔助后處理將氧化鈰納米顆粒成功整合至鈣鈦礦吸收層，構(gòu)建了雙重鈍化體系。該策略在提升電池效率的同時，顯著增強了其在質(zhì)子輻射、持續(xù)光照及濕熱條件下的穩(wěn)定性。機理研究表明，氧化鈰不僅能抑制輻照引起的結(jié)構(gòu)損傷與化學降解，還能協(xié)同OAI優(yōu)化界面能帶與電荷傳輸動力學。該工作為發(fā)展適用于太空等極端環(huán)境的高耐受性鈣鈦礦光伏技術(shù)提供了有效的材料解決方案，并指明了通過高Z氧化物摻雜實現(xiàn)界面輻射防護的未來研究方向。

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀

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大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過非接觸、高精度、實時反饋等特性，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，并且結(jié)合AI深度學習，實現(xiàn)全自動缺陷識別與工藝反饋。

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檢測缺陷：檢測速度≤2s，漏檢率；誤判率

AI缺陷識別分類訓(xùn)練：實現(xiàn)全自動缺陷識別與工藝反饋

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀采用無接觸式測試方式，可實時監(jiān)測鈣鈦礦電池各工藝段中的薄膜質(zhì)量異常，精準定位單結(jié)及疊層電池中的缺陷分布。

原文參考：Cerium Oxide Incorporation for Radiation Tolerance and Stability in Perovskite Solar Cells

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