DOI：10.1126/science.adx1745正规配资网站
研究背景
利用工业成熟的晶硅产线，钙钛矿/硅串联太阳能电池有望以可承受的成本实现高功率转换效率（PCE）。近期PCE的提升得益于串联器件光管理方案的优化、钙钛矿体相结晶与缺陷钝化剂的引入、空穴选择性自组装单分子层的出现，以及关键钙钛矿/电子传输层（C60）界面钝化策略的发展。针对后者，学界提出了接触位移、化学钝化、表面电势均质化及场效应钝化等多种策略。这些策略已被证明对溶液法钙钛矿串联电池有效，但此类电池通常需定制化硅底电池（如增加抛光或金字塔尺寸适配工序），与主流硅技术采用的1微米以上随机金字塔织构化技术存在显著差异——这种织构尺寸远大于钙钛矿顶层的厚度。减少载流子传输损耗、提高选择性并最小化非辐射复合对于提升钙钛矿/硅叠层太阳能电池的效率和稳定性至关重要。
研究问题
本文采用与工业标准绒面硅兼容的混合两步法钙钛矿沉积技术，并引入基于1,3-二氨基丙烷二氢碘化物的钙钛矿表面处理。该分子与钙钛矿表面的相互作用提高了电子选择性接触面的多数载流子浓度，从而降低界面复合。同时，这种场效应钝化技术增加了整个本征钙钛矿吸收层的电子浓度，既提升了导电性又减少了传输损耗。这些技术的结合最终制备出高性能全绒面钙钛矿/硅叠层太阳能电池，在AM1.5G标准太阳光下实现33.1%的转换效率，开路电压达2.01伏，并在红海沿岸户外环境中展现出延长的工作稳定性。
展开剩余82%图1| 基于模拟的钙钛矿电荷传输层界面非辐射复合与传输损耗抑制策略
要点：
1.本文通过光电子模拟研究详细阐述了改善钙钛矿/C60界面的不同策略，该研究基于经实验验证的钙钛矿/硅叠层太阳能电池模型。在钙钛矿/C60界面的能带示意图（图1A）中，重点突出了两个影响器件性能的参数：化学钝化质量（以表面复合速率S0,ETL表示，紫色垂直箭头标注）和能带对齐特性（以钙钛矿/C60导带偏移量ΔEC,ETL表示，绿色水平箭头标注）。非理想化学钝化会导致界面载流子复合（称为化学钝化损失），而较大导带偏移会降低多数载流子与少数载流子浓度比，引发选择性损失（表现为准费米能级梯度，绿色标注）。这种损失通过ΔVOC量化，其定义为内部开路电压（iVOC，或称准费米能级分裂与电荷量之比QFLS/q）与外部VOC之差。
2.该模型区分了两种损失机制：化学钝化损失（源于实际与理想内部电压之差，图1B顶部紫色区域）和选择性损失（图1B底部绿色区域）。模拟得到的iVOC和VOC随ΔEC,ETL变化关系如图1B所示。在理想化学钝化假设下（S0,ETL=0，深紫色虚线），iVOC可达近2V（该体材料与空穴传输层特性组合的钝化极限），且基本不受ΔEC,ETL影响。
3.目前多数前沿器件通过化学钝化策略进行优化（如紫色箭头所示），旨在降低S0,ETL以实现纵向性能提升。这种方法通过缩小iVOC与钝化极限间的差距来降低光电压损失（图1B）。但本研究重点关注功函数工程策略，通过提高n/p载流子浓度比调制接触界面载流子分布，实现对角线方向性能提升（图1B绿色对角线箭头）。黑暗条件下，接触功函数的线性增加可导致n/p比呈指数增长。
图2|能量学与表面化学特性
要点：
1.本文通过紫外光电子能谱（UPS）研究了经过PDAI修饰与未经修饰的钙钛矿/C60界面的能带排列。与未处理的参比样品相比，PDAI钝化的钙钛矿薄膜功函数（Wf）提升了270 meV（从4.49 eV增至4.76 eV，图2A），该结果与振幅调制开尔文探针力显微镜（AM-KFPM）的测试结果一致。半导体功函数的变化可能源于费米能级（EF）在带隙内的位移（通过掺杂或电荷分布）、表面偶极作用或两者共同作用。本文通过测量电离能（IP）区分这些效应：若Wf与IP发生同量级变化则表明偶极形成，而Wf单独变化且IP保持恒定则意味着带隙内EF发生改变。参比钙钛矿的IP为5.54 eV，钝化样品为5.65 eV（图2C），证实了偶极的形成。通过构建参比与目标样品的能级图（图2C）并比较其与C60的能级排列（特别是钙钛矿导带与C60最低未占分子轨道的对齐程度），本文得出结论：目标样品中形成的偶极使界面能量偏移从180 meV（参比）最小化至70 meV（目标）。
2.本文通过密度泛函理论（DFT）计算来理解偶极的形成与取向。PDAI呈现对称弯曲结构，其静电势图显示正负电势区域分布显著，产生8.27 D的偶极矩（图2D）。在典型MAPbI3体系的无机（PbI2）和有机（MAI）表面终端上均考察了PDAI-钙钛矿相互作用（图2E、F）。PbI2终端表面的计算Wf为5.95 eV，MAI终端表面为4.23 eV（图2G），与文献值一致。PDAI的I原子与PbI2终端表面的Pb原子以-1.98 eV相互作用能结合（图2E），而PDAI与MAI终端表面的相互作用能为0.81 eV（图2F）。相应地，本文发现PDAI在PbI2终端表面的电荷转移量大于MAI终端表面（图2E、F）。PDAI与无机终端表面配位不饱和Pb原子的相互作用诱导产生-1.40 D面外方向偶极矩（负偶极），而与有机终端表面的相互作用则诱导产生+0.27 D面外方向偶极矩（正偶极）。最终，偶极形成使PbI2终端表面Wf降至4.21 eV，而使MAI终端表面Wf升至4.78 eV（图2G）。
图3| 钝化效应与导电性能
要点：
1.为研究钝化钙钛矿薄膜的光物理性质，本文采用高光谱光致发光（PL）成像技术，分别对C60处理与未处理的薄膜进行iVOC成像（图3A）。参考组钙钛矿的iVOC图像显示空间波动标准差（σ）为38 mV，平均值为1.23 V。经PDAI处理后，σ值降至26 mV，同时平均iVOC提升20 mV至1.25 V，证明该分子具有温和的化学钝化特性。通过AM-KPFM技术进一步观察到PDAI处理组具有更均匀的接触电势分布，空间均质性显著改善，该结果与既往研究一致。沉积C60后，参考组iVOC值下降80 mV至1.15 V，且分布展宽加剧（σ=65 mV）；而PDAI钝化组iVOC值保持在1.23 V，且分布宽度显著收窄（σ=17 mV）。
2.通过时间分辨PL测试（图3B），本文进行差分寿命分析以解耦界面电荷转移与界面电荷复合的竞争过程（图3C）。含C60的参考样品差分寿命在~1 μs处达到平台期（即最慢衰减组分），较无C60参考样品降低约一个数量级，表明界面复合主导动力学过程。相比之下，经PDAI处理且含C60的样品差分寿命平台期为~10 μs，无C60样品为~13 μs，说明目标样品中界面复合被有效抑制。需要说明的是，差分寿命平台期并非有效载流子寿命（即加权平均载流子寿命），所有样品的有效载流子寿命均低于100 ns。
图4| 钙钛矿/硅叠层太阳能电池的性能与稳定性
要点：
1.串联电池的结构示意图如图4A所示，器件的典型截面SEM图像如图4B所示。采用优化PDAI浓度的串联太阳能电池在最佳器件中将能量转换效率（PCE）从29.1%提升至32.3%，这主要得益于开路电压（VOC从1.83V增至1.94V）和填充因子（FF从79.4%增至81.6%）的改善，图4C的统计对比数据也印证了这一点。短路电流密度（JSC）保持稳定，与外量子效率（EQE）和反射率结果一致。连续五个批次的统计比较显示，经过PDAI钝化的器件比参照器件的PCE绝对值可重复性提高了2.5%。
2.该策略在不同实验室（分别位于阿卜杜拉国王科技大学和弗劳恩霍夫ISE研究所）均展现出良好的一致性。经认证实验室测量，其中一个器件获得了31.6%的认证稳定PCE。在目标器件中，进一步将钙钛矿带隙从1.67 eV增大至1.70 eV以改善电流匹配，最终冠军器件实现了2.01 V的开路电压和33.1%的能量转换效率（图4D）。
3.为评估钝化处理对（封装）串联电池稳定性的影响，本文在红海沿岸进行了户外测试。测试涵盖所有工况条件，包括光照加热（最高40℃）下的持续运行及昼夜热循环。参照器件与目标器件的开路电压变化趋势基本一致，表明钙钛矿吸收层未产生新缺陷或选择性损失（图4F）。但参照器件的日峰值短路电流密度随时间逐渐发散，近500小时后趋近于零；相比之下，PDAI钝化器件在后续1000小时内表现出更稳定的电流输出。该结果在多个串联太阳能电池中均具有可重复性。
总结与展望
本文证明了功函数工程策略的影响不仅限于界面，还延伸至钙钛矿吸收体的整体。这种效应在其他光伏技术中已广为人知。然而正规配资网站，在这些器件中，由于硅吸收体的高掺杂浓度，积累区仅改变狭窄区域（约占整个器件的1%）的特性。本文发现：钝化处理提高的光电转换效率（PCE）并未影响稳定性。相反，通过BACE测量量化发现，改性后的钙钛矿/C60界面固定了离子跨界面迁移，从而增强了器件的运行稳定性。尽管取得了这些令人鼓舞的成果，本研究团队认为针对混合法制备钙钛矿材料体相质量的进一步研究，可能为该技术的未来商业化提供广阔前景。
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