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实现效率31.4%的纹理化钙钛矿/硅叠层电池:溴功能化二元混合SAM增强电荷提取与界面钝化
日期:2025-12-15浏览量:225
单片集成的钙钛矿/硅叠层太阳能电池因其高效率与潜在的低成本优势,已成为突破单结电池理论效率极限(33.7%)的重要途径。在p-i-n型钙钛矿结构中,自组装分子(SAMs)作为可调控的空穴传输层,能够优化能级对齐、抑制界面复合,从而提升电池性能。然而,在工业化中广泛采用的纹理化硅衬底上,传统烷基链SAMs易发生团聚,导致覆盖不均匀,严重制约了叠层电池的效率与稳定性。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源,可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围,进行长期的稳定性能测试。
近期研究发现,部分商用SAM材料中的微量杂质可能对电池性能产生意外影响。本研究系统探究了溴(Br)杂质在基于二苯并[c,g]咔唑的SAMs中的作用,并在此基础上设计出兼具共轭连接体与溴取代的混合SAM体系,显著提升了纹理化钙钛矿/硅叠层电池的电荷提取效率与界面稳定性。
溴杂质的发现与分子设计
A. 商用4PADCB的核磁共振氢谱中出现的溴代杂质信号。B. 纯相Bz-PhpPACz单晶结构显示C10位存在溴/氢共存现象。C. 不同Bz-PhpPACz/Bz-PhpPABrCz混合比例对单结电池性能的影响。D. 不同SAM在平滑ITO与粗糙FTO衬底上制备的电池填充因子对比。E. 在FTO上基于三种SAM的最佳单结电池电流-电压特性曲线。F. 钙钛矿在FTO与ITO上的表面形貌对比(扫描电镜图)
本研究以商用SAM材料4PADCB(C-4PADCB)为起点,通过¹H NMR谱分析发现其中存在微量溴代杂质4PABrDCB。进一步通过单晶X射线衍射证实,该杂质来源于分子中特定碳位(C10)的溴取代。这一意外发现解释了为何C-4PADCB在叠层电池中表现出优于纯共轭型SAM(Bz-PhpPACz)的性能。
基于此,研究团队合成了结构明确的溴代衍生物Bz-PhpPABrCz,并将其与Bz-PhpPACz按8:1体积比混合,形成“Mix”二元SAM体系。该设计融合了共轭连接体促进分子紧密堆积的优势,以及溴原子增强界面钝化与能级对齐的作用。
分子在纹理衬底上的行为与界面性质
A. 不同SAM在ITO/硅底电池上的表面覆盖因子及引起的功函数变化。B. 钙钛矿与不同SAM/ITO体系的能带对齐示意图。C. 分子密度随距离ITO表面高度的分布曲线。D. 分子动力学模拟展示不同SAM在ITO表面的吸附分布状态。E. 分子/ITO界面处的电荷密度差分图。F. DFT计算得到的分子堆叠能与界面相互作用能对比
覆盖度与能级排列
通过X射线光电子能谱(XPS)分析,Mix与Bz-PhpPACz在纹理化ITO/硅衬底上的覆盖因子显著高于C-4PADCB。紫外光电子能谱(UPS)显示,Mix引起更大的功函数下移(0.42 eV),有利于降低空穴提取势垒。密度泛函理论计算表明,溴原子的高电负性与分子偶极矩共同促进了这一能级调控。
分子堆积与吸附行为
分子动力学模拟显示,Mix在ITO表面上分布更均匀,而单一分子(如4PADCB或Bz-PhpPABrCz)则呈现聚集或无序排列。径向分布函数分析进一步证实,共轭连接体有利于形成有序的π-π堆积结构,而溴的引入可通过分子间相互作用调节堆积方式。
与钙钛矿的界面相互作用
DFT计算表明,Bz-PhpPABrCz与钙钛矿表面存在较强的相互作用,溴原子可与未配位的Pb²⁺形成弱配位键,有效钝化界面缺陷,促进电荷转移。
溴对钙钛矿结晶与薄膜质量的影响
A. 不同SAM上钙钛矿薄膜的二维掠入射X射线散射图谱。B. 钙钛矿(001)晶面取向的方位角分布。C. 基于X射线衍射数据威廉森-霍尔图计算的薄膜微应变。D. 钙钛矿薄膜的光学反射成像图。E. 钙钛矿薄膜的光致发光空间分布图。F. 不同SAM上钙钛矿准费米能级分裂值的统计分布。G. 准费米能级分裂的空间分布映射图
晶体取向与应变
掠入射广角X射线散射(GIWAXS)分析显示,纯Bz-PhpPACz上沉积的钙钛矿呈现垂直于衬底的取向,而Mix体系则使晶体取向更均匀。Williamson-Hall方法分析XRD数据表明,Mix体系对应的钙钛矿薄膜晶格微应变最低(0.75),而纯Bz-PhpPACz和C-4PADCB分别为1.2和0.91。溴的引入可能通过卤素-卤素键的形成释放残余应力,从而减少薄膜褶皱。
光电性能与载流子动力学
绝对光致发光成像与准费米能级分裂(QFLS)测试表明,Mix体系钙钛矿薄膜具有更高的PL强度与更均匀的Δμ分布(1.32 eV),说明其界面质量更高、非辐射复合更少。
界面电荷转移与复合机制
A. 波长分辨瞬态表面光电压测试示意图。B. 在不同激发光子能量(对应硅体、硅前表面及钙钛层激发)下,基于不同SAM的叠层电池的瞬态光电压响应。C. 不同分子的静电势表面分布图
采用波长依赖的瞬态表面光电压(Tr-SPV)技术,在不同激发能量下(1.1 eV、1.5 eV、1.8 eV)研究了叠层结构中的电荷提取与复合动力学:
在1.1 eV(硅体激发)与1.5 eV(硅近表面激发)下,Mix样品表现出更高的SPV信号与更快的电荷分离,说明其界面钝化效果更好、非辐射复合更低。
在1.8 eV(钙钛矿激发)下,Mix样品在早期即出现明显的负向SPV“凸起”,对应空穴在ITO/SAM界面的快速提取,且几乎无正信号(电子陷阱积累),表明其界面陷阱密度显著低于其他体系。
叠层电池性能与稳定性
A. 电池截面结构示意图。B. 基于不同SAM的最佳叠层电池的电流-电压特性曲线及对应性能参数表。C. 叠层电池的外量子效率与光反射损失谱。D. 不同批次电池的开路电压与转换效率统计分布。E. 基于不同SAM的宽禁带单结电池在连续光照下的最大功率点跟踪稳定性测试结果
光电转换效率
基于工业级切克劳斯基(CZ)硅衬底,使用Mix SAM的钙钛矿/硅叠层电池实现了31.4%的最高效率(VOC=1.98 V,FF=77.9%,JSC=20.6 mA/cm²),显著优于C-4PADCB(30.0%)与纯Bz-PhpPACz(27.8%)体系。外量子效率(EQE)测试显示各子电池电流匹配良好。
稳定性
在氮气环境中对1.68 eV宽禁带单结电池进行最大功率点跟踪测试(45°C,1 sun LED照明),1000小时后Mix体系电池仍保持初始效率的97%,而C-4PADCB与纯Bz-PhpPACz分别降至82%与86%。在65°C高温下,Mix体系仍保持91%的初始输出,表现出优异的耐热与光稳定性。稳定性提升归因于共轭连接体带来的紧密分子堆积,以及溴原子对界面缺陷的持续钝化。
本研究发现并验证了在SAM分子中合理引入溴官能团与共轭连接体的协同优势。溴元素能够钝化界面缺陷、调节能级对齐、释放钙钛矿晶格应变;而共轭结构则促进了分子在粗糙纹理表面的致密、有序堆积,提升了覆盖度与电荷传输效率。两者结合形成的二元混合SAM,成功解决了纹理钙钛矿/硅串联电池中界面电荷提取与稳定性难题,最终实现了超过31%的光电转换效率。此外,研究也提醒了商业SAM材料中无意杂质可能对界面性能产生的显著影响,强调了材料纯度控制与分子设计的重要性。这项工作为面向产业化应用的钙钛矿/硅串联电池界面工程提供了重要的分子设计见解与材料解决方案。
联系电话:400 008 6690
美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用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。
3A+光源,光源寿命10000h+,真实还原各场景实际光照条件
可选配恒温恒湿箱,满足IS0S标准
多型号电子负载可选,多通道独立运行
不同波段光谱输出可调:7.350-400nm/400-750nm/750-1150nm均独立可控
美能钙钛矿复合式MPPT测试仪主要应用于成品钙钛矿单结,叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响,其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点,能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量,还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。
原文参考:Enhanced charge extraction in textured perovskitesilicon tandem solar cells via molecular contact functionalization
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