一、研究背景、挑戰(zhàn)與解決方案
現(xiàn)況與瓶頸
三接面疊層太陽能電池是突破晶硅光伏效率極限的途徑，理論蕭基-奎瑟（Shockley–Queisser, S–Q）極限可達(dá)49.5%。但實(shí)際制備3-J電池的核心挑戰(zhàn)在于鈣鈦礦吸收層的相不穩(wěn)定性。
用于中間電池（Mid-cell, 約1.50 eV）的碘化甲脒鉛(FAPbI3)基鈣鈦礦，在復(fù)雜制程中容易降解，包括重復(fù)的加熱/冷卻循環(huán)、暴露于環(huán)境空氣及水基原子層沉積（ALD）過程。中層鈣鈦礦降解成非光活性的δ相時(shí)，器件開路電壓(Voc)從約3.0 V降至約2.0 V，嚴(yán)重影響制程重現(xiàn)性。頂部電池（Top-cell, 約2.0 eV）的富溴鈣鈦礦也容易受光誘導(dǎo)相分離影響。
解決方案與核心發(fā)現(xiàn)
這項(xiàng)由沙特阿拉伯國王阿卜杜拉科技大學(xué)（KAUST）的 Stefaan De Wolf 教授與 Fuzong Xu 博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，將成果發(fā)表于《自然—材料》（Nature Materials）期刊上。
研究團(tuán)隊(duì)引入3-胺基丙酸碘化物（3-ammonium propionic acid iodide, 簡稱3A）作為添加劑，整合至鈣鈦礦晶格中，增強(qiáng)其在多重制程中的韌性。（圖S7）
3A分子中的羧基（–COOH）與鈣鈦礦晶格中的陽離子（Pb2+、Cs+、FA+）形成額外鍵結(jié)。密度泛函理論（DFT）計(jì)算證實(shí)這些鍵結(jié)達(dá)到雙重效果：
提高相轉(zhuǎn)變能壘： 3A修飾將α相到δ相轉(zhuǎn)變的能壘提高約四倍
抑制缺陷形成： 額外鍵結(jié)抑制肖特基缺陷（如VFAI和VPbI2）形成，這些缺陷會(huì)促進(jìn)離子遷移和相轉(zhuǎn)變
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，3A修飾有效延遲中間鈣鈦礦（Cs0.05Rb0.05FA0.9PbI3）在約60% RH環(huán)境下的δ相形成，并抑制頂部鈣鈦礦在1 sun照光下的光致相分離。
整合穩(wěn)相鈣鈦礦層后，三接面電池制程重現(xiàn)性大幅提升，器件功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）變異性從4.11降至1.19。最終在1 cm2活性面積上實(shí)現(xiàn)28.7%的PCE。（圖4c）
二、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂QFLS表征
準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（Quasi-Fermi Level Splitting, QFLS，記為Δμ）是衡量光伏材料光電質(zhì)量的核心指針，它直接反映了材料抑制非輻射復(fù)合的能力，并與器件潛在的開路電壓上限直接相關(guān)。在這項(xiàng)研究中，QFLS表征被作為驗(yàn)證3A修飾對(duì)于鈣鈦礦電子性質(zhì)實(shí)際提升效果的手段。
QFLS表征方法與數(shù)據(jù)來源
研究采用高光譜成像系統(tǒng)（hyperspectral imaging system）耦合顯微鏡，收集封裝半成品器件的絕對(duì)光致發(fā)光（Absolute PL）信號(hào)。為了模擬p-i-n器件結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦薄膜沉積在空穴傳輸層（HTL）/ITO/Si基板上進(jìn)行QFLS測量。激發(fā)光源為532 nm雷射，光照強(qiáng)度相當(dāng)于1 sun。采集到的數(shù)據(jù)利用修正后的Würfel廣義普朗克定律（modified Würfel's generalized Planck law）進(jìn)行分析，從而獲得QFLS值 (Δμ)。
QFLS數(shù)據(jù)結(jié)果解析
研究對(duì)中間鈣鈦礦層（Cs0.05Rb0.05FA0.9PbI3）進(jìn)行了QFLS繪圖（mapping）及統(tǒng)計(jì)分析。
QFLS空間分布與數(shù)值提升： 圖2a呈現(xiàn)QFLS繪圖及統(tǒng)計(jì)結(jié)果。3A修飾樣品的QFLS性能明顯優(yōu)于控制組，其Δμ統(tǒng)計(jì)中位數(shù)顯著高于控制組和3C修飾組。較高的Δμ證明3A修飾材料具備更高的光電壓潛力，與后續(xù)單結(jié)器件（Mid-cell）開路電壓從1.12 V提升至1.16 V的結(jié)果一致。
PL與TRPL數(shù)據(jù)左證載子動(dòng)力學(xué)： 3A修飾組表現(xiàn)出更高的PL強(qiáng)度（Supplementary Fig. 20）和顯著延長的載子壽命。
時(shí)間分辨光致發(fā)光（TRPL）測量結(jié)果（圖2b）顯示，3A修飾使載子壽命從控制組的1.39 μs延長至2.33 μs。相較之下，僅使用烷基鏈的3C修飾導(dǎo)致載子壽命急劇下降至0.70 μs。這表明3C引入了更多晶界缺陷，促進(jìn)非輻射復(fù)合，而3A中的羧基有效抵消了這些不利影響。
PL mapping（光致相分離評(píng)估）： 研究對(duì)頂部鈣鈦礦（Top perovskite, Cs0.4FA0.6PbBr1.7I1.3）進(jìn)行時(shí)間分辨PL光譜測量（圖1f），評(píng)估光致相分離。在1 sun照光下，控制組樣品在10分鐘后出現(xiàn)低帶隙相形成（相分離），而3A修飾樣品在45分鐘后仍未觀察到相分離。這證實(shí)了3A修飾成功抑制富溴鈣鈦礦的光致不穩(wěn)定性。
QFLS提供了一個(gè)定量的、準(zhǔn)器件尺度的光電質(zhì)量指針。透過QFLS繪圖，研究團(tuán)隊(duì)能夠直觀地比較不同化學(xué)修飾下，鈣鈦礦薄膜在光照條件下的非輻射復(fù)合損失情況。高的QFLS值直接反映了載子濃度、載子壽命和低缺陷密度，從而證明了3A策略（通過提高相穩(wěn)定性）成功地提升了鈣鈦礦材料的本質(zhì)光電性能。
為快速評(píng)估此類穩(wěn)相鈣鈦礦材料潛力，Enlitech QFLS-Maper檢測儀可提供QFLS影像分布與iVoc可視化分析，在三秒內(nèi)掌握整體材料質(zhì)量與非輻射復(fù)合模式。該儀器能快速測量Pseudo J-V曲線，用于預(yù)測材料的理論效率極限，加速載子動(dòng)力學(xué)與缺陷解析。
三、結(jié)論與研究成果 (Conclusion and Research Outcome)
該研究成功應(yīng)對(duì)了多接面鈣鈦礦太陽能電池在復(fù)雜制程中，因鈣鈦礦相不穩(wěn)定性導(dǎo)致的效率和重現(xiàn)性受限問題。核心成果與數(shù)據(jù)驗(yàn)證如下：
核心穩(wěn)定化策略與機(jī)理驗(yàn)證
羧基功能化增強(qiáng)相穩(wěn)定性： 研究團(tuán)隊(duì)將含羧基（–COOH）的3-胺基丙酸碘化物（3A陽離子）引入約1.50 eV的中間層（Mid-cell）和約2.0 eV的頂部層（Top-cell）鈣鈦礦晶格中。
提高相轉(zhuǎn)變能壘： 密度泛函理論（DFT）計(jì)算證實(shí)，3A中的羧基與晶格陽離子（如Pb2+、Cs+、FA+）形成額外的鍵結(jié)。這些交互作用使α相到δ相轉(zhuǎn)變的能壘提高了約四倍（詳見Fig. 1d）。
缺陷抑制： 3A修飾策略同時(shí)提高了肖特基缺陷（如VFAI和VPbI2）的形成能，從而抑制了促進(jìn)離子遷移和相轉(zhuǎn)變的缺陷形成（詳見Fig. 1e）。
抑制光/濕熱不穩(wěn)定性：
對(duì)于中間層鈣鈦礦，3A修飾有效地延遲了在約60% RH環(huán)境下的非光活性δ相形成，從控制組的1天延遲至超過3天（參見Fig. 1a）。
對(duì)于頂部層富溴鈣鈦礦，3A修飾抑制了1 sun照光下的光致相分離。控制組在10分鐘即發(fā)生相分離，而3A修飾組在45分鐘后仍未觀察到相分離（參見Fig. 1f）。
器件性能與穩(wěn)定性提升
單結(jié)器件效率與壽命改善： 3A修飾顯著提升了單結(jié)器件的光電性能。例如，中間層鈣鈦礦單結(jié)電池的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）從24.1%提升至25.4%。載子壽命（Charge-carrier lifetime）透過TRPL測量，從控制組的1.39 μs延長至2.33 μs（參見Fig. 2b）。
單結(jié)長期穩(wěn)定性： 3A修飾的約1.50 eV中間層單結(jié)器件在85°C/85% RH濕熱老化1,000小時(shí)后，仍維持89%的初始PCE（參見Fig. 3c）。
三接面效率創(chuàng)紀(jì)錄： 將這些穩(wěn)相鈣鈦礦層整合到鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅三接面（3-J）疊層結(jié)構(gòu)中，最終在1 cm2活性面積上實(shí)現(xiàn)了28.7%的高PCE（參見Fig. 4c與Supplementary Table 1）。
制程重現(xiàn)性顯著改善： 該策略大幅改善了三接面電池的制程重現(xiàn)性。器件PCE的統(tǒng)計(jì)變異性從4.11降低到1.19（參見Fig. 4b）。
三接面運(yùn)行穩(wěn)定性： 在1 sun連續(xù)光照下（開路條件），使用3A修飾的未封裝三接面器件在900小時(shí)后仍維持85%的初始PCE（參見Fig. 4e）。
文獻(xiàn)參考自nature materials_DOI: 10.1038/s41563-025-02367-8
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