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隆基最新Nature:非对称自组装分子刷新钙钛矿/硅叠层电池效率至34.58%!
日期:2025-07-11浏览量:450
在绒面硅基板上实现高有序、均匀覆盖的自组装单分子层(SAMs)是提升钙钛矿/硅叠层电池(TSCs)效率的关键难题。本文开发了一种不对称自组装单分子层HTL201作为空穴选择层(HSL),在钙钛矿/硅叠层太阳能电池中实现34.58%的认证效率(1.004 cm²),并通过优化的界面覆盖、缺陷钝化和能级对齐将开路电压提升至近2V。钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT可以为钙钛矿太阳能电池的测试和性能验证提供了高效的支持。
分子设计创新
不同SAM在IZO衬底上的覆盖度及其与钙钛矿的相互作用
(a) IZO表面分子平衡构型俯视图
(b) Me-4PACz、MeO-4PACz和HTL201在IZO表面的吸附能随时间变化
(c) HTL201分子在IZO衬底上的吸附过程
(d) 三种SAM的IZO表面覆盖率对比
(e) IZO与不同SAM界面作用示意图(HTL201形成致密单层)
(f) 乙醇清洗前后SAM覆盖率因子统计
(g, h) FAPbI₃ (100)吸附SAM的优化结构及结合能计算

IZO基底上SAM吸附过程模拟
本研究通过分子设计开发了不对称咔唑基自组装单分子层HTL201,其特点是在咔唑核苯环侧引入间隔基团和膦酸锚定基团(区别于传统对称结构),用于钙钛矿/硅叠层电池的空穴传输层(HSL)。核心突破包括:
最小空间位阻:提升TCO(IZO)覆盖率和分子排列有序性(分子动力学模拟验证)。
强配位作用:XPS显示HTL201使IZO的Zn 2p/In 3d峰位移0.7/0.5 eV(高于对照组),表明与TCO结合更强。
优化能级排列:HOMO能级(-5.11 eV)与钙钛矿价带(-5.47 eV)匹配,提升空穴提取效率。
光伏性能
基于不同HSL的叠层电池性能
(a, b) 两端钙钛矿/硅叠层电池结构及HTL201电池截面SEM图
(c–f) 不同SAM电池的PCE、VOC、FF、JSC箱线图(20组电池)
(g) 最佳电池J-V曲线
(h) HTL201电池外量子效率(EQE)曲线
(i) ESTI认证的J-V曲线(插图:1.74 V偏压下稳态输出)
以硅异质结太阳能电池为底电池构建了单片钙钛矿 / 硅串联太阳能电池。使用 HTL201 的电池平均 PCE 为 34.22%,冠军 TSC 的效率达到 34.60%,VOC 高达 2.001 V,JSC 为 20.64 mA/cm²,FF 为 83.79%。
效率对比(20组电池均值)
经欧洲太阳能测试机构(ESTI)认证,基于 HTL201 的 TSC 认证 PCE 为 34.58%,这是已报道的钙钛矿 / 硅 TSC 研究中的记录效率。
薄膜形貌与结晶性
接触角测试:HTL201基底对钙钛矿前驱液的润湿性更好,有利于形成致密薄膜。
AFM表征:HTL201薄膜更均匀,无明显团聚。
SEM与XRD:HTL201上钙钛矿薄膜晶粒更大、结晶性更强。
GIWAXS:HTL201促进钙钛矿沿(100)方向择优生长。
不同SAM基底钙钛矿薄膜的光致发光行为
原位PL与显微镜:HTL201延迟结晶过程,有助于形成高质量钙钛矿薄膜。
电荷动力学
SAM对载流子动力学的影响
(a) 不同SAM上钙钛矿膜的PL量子产率(PLQY)
(b) 准费米能级分裂(QFLS)值对比
(c) 伪填充因子(pFF)与实际FF差值
(d–g) UPS谱:二次电子截止区(左,功函数WF)与价带区(右)
(h) C-AFM电流映射图(钙钛矿膜导电性对比)
通过光致发光(PL)、时间分辨光致发光(TRPL)和PL量子产率(PLQY)等测试,深入分析了HTL201对电荷动力学的影响。
结果表明,HTL201基钙钛矿薄膜具有更低的陷阱密度和更长的载流子寿命。紫外光电子能谱(UPS)和导电原子力显微镜(C-AFM)分析进一步揭示了HTL201与钙钛矿之间优化的能级排列和增强的电荷传输能力。这些特性共同促成了电池VOC和填充因子(FF)的显著提升。
叠层电池稳定性
叠层电池稳定性
(a) 未封装电池在N₂环境存储1080小时后的PCE保持率
(b, c) 封装电池在25°C/45°C下MPP跟踪结果
储存稳定性(未封装):HTL201器件在1080小时后仍保持98.9%的初始效率,优于Me-4PACz(84.8%)和MeO-4PACz(94.6%)。
运行稳定性(封装):
25°C下运行1020小时,HTL201器件保持98.0%初始效率;
45°C下运行1020小时,HTL201器件保持91.3%初始效率。
电化学稳定性:HTL201在CV测试中表现出更高的氧化还原稳定性。
光稳定性:NMR测试表明HTL201在持续光照下分子结构稳定。
本文通过非对称分子设计策略,开发出新型SAM材料HTL201,显著提升了钙钛矿/硅叠层太阳能电池的界面质量、光电性能和稳定性。HTL201在界面覆盖性、能级匹配、缺陷钝化、电荷传输等方面均优于传统对称SAM,最终实现了34.58%的认证效率,为钙钛矿/硅叠层电池的进一步发展提供了重要方向。
联系电话:400 008 6690
钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源,以其先进的技术和多功能设计,为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。
▶ 光源等级:A+AA+,光谱匹配度A+级,均匀性A级,长时间稳定性A+级
▶ 有效光斑大小: ≥250*250mm(可定制)
▶ 光强可调节: 0.2-1.5sun,以0.1sun为步进可依次调节
▶ 功率独立可控:300-400 nm/400-750 nm/750-1200 nm
钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源,通过模拟真实的光照条件,为评估新型材料(如HTL201)对钙钛矿/硅叠层电池性能提升的作用提供精确的测试和稳定性验证工具。
原文参考:Efficient perovskite/silicon tandem with asymmetric self-assembly molecule










































































