无甲胺（MA-free）宽带隙混合卤化物钙钛矿适用于钙钛矿/硅叠层太阳能电池，但薄膜结晶时溴富集相优先形成，随后碘离子并入并完成卤素均匀化。这一过程若控制不当，会使碘进入非平衡晶格位点，形成间隙缺陷和反位缺陷，并产生深能级陷阱，增加非辐射复合损失。美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+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。

本研究采用双功能分子4-(2-氨基乙基)苯磺酸盐酸盐（SOP），利用磺酸基调节前驱体配位和结晶动力学，再由铵基作用于碘相关缺陷，协同控制卤素均匀化与深能级缺陷。

实验方法

研究对象为 Cs₀.₂₂FA₀.₇₈Pb(I₀.₈₅Br₀.₁₅)₃ 宽带隙钙钛矿。以苯磺酸（BSA）、苯乙基氯化铵（PCl）和 SOP 作为分子添加剂进行对比，分析不同官能团对结晶和缺陷的影响。

研究通过原位光致发光（PL）监测旋涂、退火过程中的发光峰位和强度变化，结合氢核磁共振（¹H NMR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X 射线光电子能谱（XPS）和 X 射线衍射（XRD），分析分子相互作用、前驱体配位及结晶变化。密度泛函理论（DFT）计算用于分析碘间隙缺陷和碘占据铅位反位缺陷的原子结构、吸附行为及电子态；深能级瞬态谱（DLTS）、PL 成像、稳态 PL 和时间分辨 PL（TRPL）用于表征陷阱与载流子复合。

研究还采用扫描电子显微镜（SEM）、开尔文探针力显微镜（KPFM）、莫特–肖特基分析、电化学阻抗谱及暗态电流密度–电压（J–V）测试，评估薄膜形貌和器件电学特性，并测试单结电池和叠层电池的光伏性能与稳定性。

SOP调节结晶动力学与卤素均匀化

SOP分子对钙钛矿薄膜结晶过程的影响（a）对照组（上排）和经 SOP 处理的钙钛矿薄膜（下排）的结晶过程示意图。（b）旋涂阶段和（c）退火阶段，对照组及 SOP 处理组钙钛矿薄膜的原位PL光谱。（d）旋涂阶段和（e）退火阶段相应PL 峰位与峰强度的变化。（f）SOP、FAI+SOP 和 FAI 的氢-1 核磁共振（¹H NMR）光谱。（g）SOP 及 SOP 与 PbI₂ 混合后的傅里叶变换红外（FT-IR）光谱。（h）薄膜中 Pb 4f 轨道的 X 射线光电子能谱（XPS）

原位 PL 显示，反溶剂滴加后薄膜迅速出现约 715 nm 的发光峰，约 2 s 后强度进入初始平台；约 5 s 后峰位开始红移，反映碘逐渐进入溴富集相。对照样品在约 25 s 后仍出现第二次红移，说明 I/Br 交换尚未完成。SOP 处理后，PL 峰位在约 25 s 稳定于 748 nm，高于对照组的 742 nm，且后续发光衰减更缓，表明卤素均匀化更连续，碘相关缺陷形成受到抑制。

FAI 的 ¹H NMR 信号及 FT-IR 结果显示，SOP 可与 FAI 和 PbI₂ 发生相互作用；XPS 中 SOP 处理薄膜的 Pb 4f 峰向低结合能移动 0.21 eV，说明磺酸基参与前驱体配位。SOP还延缓湿膜阶段的晶粒生长，退火时 PL 强度峰值出现时间由对照组约 5 s 延后至约 9 s。XRD 结果显示，SOP 处理薄膜退火后的（100）衍射峰更强，半峰全宽更窄，表明结晶质量改善。

研究还发现，SOP添加量需在缺陷抑制与薄膜结晶之间取得平衡；添加过量会损害结晶质量、产生孔洞并增加串联电阻。紫外–可见吸收测试表明，添加剂没有改变钙钛矿带隙，因此器件电压和效率提升主要来自缺陷钝化与结晶改善。每组 25 个器件的统计结果也验证了 SOP 处理后开路电压和效率提升的可重复性。

碘相关深能级缺陷的结构与钝化机制

SOP 分子对深能级缺陷的钝化作用（a）含碘间隙缺陷（Iᵢ）和（b）碘占据铅位反位缺陷（Iₚᵦ）的 FAI 终止钙钛矿表面原子结构，以及 SOP 与钙钛矿表面之间相应的差分电荷密度图。绿色和紫色分别表示电子积累区和电子耗尽区。（c）SOP 在含 Iᵢ 和 Iₚᵦ 缺陷的表面模型上的吸附能。（d）不同原子之间的键长和键角。（e）对照组与 SOP 处理后钙钛矿的总态密度（TDOS）

DFT 计算显示，碘间隙缺陷（Iᵢ）和碘占据铅位反位缺陷（Iₚᵦ）均可形成带隙内缺陷态，其局域结构包含相互作用较强的 I–I 三聚体。SOP 的质子化铵基可锚定于缺陷表面，计算得到其在 Iᵢ 和 Iₚᵦ 缺陷模型上的吸附能分别为 −3.83 eV 和 −3.72 eV。SOP 与缺陷结构之间的电荷转移分别约为 0.79 e 和 0.80 e，削弱 I–I 相互作用并改变三聚体构型，使局域缺陷态变浅或消失。

磺酸基主要调节结晶和碘并入过程，铵基则直接作用于碘相关缺陷，两者共同发挥作用。作为对照，BSA 主要通过磺酸基调节卤素均匀化，减少孔洞和残余 PbI₂；PCl 则主要改善薄膜表面形貌并参与碘相关缺陷钝化。单一官能团只能调节这一耦合过程的一部分，SOP 将两种作用整合在同一分子框架中。

DLTS 结果显示，对照器件存在两个空穴陷阱，能级分别位于价带顶以上 0.570 eV 和 0.636 eV。经 SOP 处理后，陷阱深度降至 0.484 eV 和 0.485 eV，陷阱密度约降低一个数量级。SOP 处理薄膜的 PL 空间分布更均匀，发光强度更高；TRPL 载流子寿命由对照组的 118.2 ns 增至 525.8 ns，高于 BSA 处理组的 315.7 ns 和 PCl 处理组的 390.1 ns，说明非辐射复合得到更有效抑制。

薄膜和单结器件性能

钙钛矿薄膜与器件的表征（a）对照组和 SOP 处理组钙钛矿薄膜的表面及截面扫描电子显微镜（SEM）图像；（b）相应薄膜的开尔文探针力显微镜（KPFM）表征结果。（c）器件的莫特–肖特基分析。（d）开路电压（Vₒ꜀）随光照强度的变化。（e）不同器件的肖克利–奎伊瑟极限填充因子（FFₛ₋Q）、最大填充因子（FFₘₐₓ）和 J–V 曲线填充因子（FFⱼ₋ᵥ）。（f）添加不同分子添加剂的冠军单结器件的电流密度–电压（J–V）曲线，插图为反式钙钛矿太阳能电池的结构示意图。（g）每组 25 个宽带隙器件的开路电压（Vₒ꜀）和光电转换效率（PCE）分布直方图

SEM 显示，SOP 处理后晶粒尺寸增大，晶粒沿膜厚方向连续生长，孔洞、晶界及残余片状 PbI₂ 减少。KPFM 测得平均接触电势差由对照组约 710 mV 降至约 630 mV，表面电势分布更均匀。莫特–肖特基分析显示，内建电势由 1.07 V 提高至 1.21 V；理想因子由 1.72 降至 1.49，反映陷阱辅助复合减弱。

对带隙约 1.68 eV 的器件，肖克利–奎伊瑟极限填充因子约为 90.9%，SOP 组计算得到的最大填充因子为 86.60%，与 J–V 曲线对应的填充因子之间差值较小，说明非辐射复合和电荷传输造成的填充因子损失受到控制。短路电流密度与光强近似线性，表明短路条件下光生载流子的收集未受到明显限制。

反式单结器件结构为 ITO/空穴传输层/钙钛矿/电子传输层/浴铜灵（BCP）/Ag。SOP 处理器件的冠军光电转换效率（PCE）为 23.81%，开路电压为 1.285 V；对照组、BSA 组和 PCl 组的 PCE 分别为 21.78%、22.53% 和 22.62%。SOP 组外量子效率（EQE）积分电流密度为 21.18 mA cm⁻²，与 J–V 测试结果吻合。

稳定性测试中，未封装器件在氮气中存放 1300 h 后保留初始效率的 96.3%，对照组为 93.0%；在空气、65 °C 条件下，T80 寿命由 280 h 延长至 400 h。于 25 °C、相对湿度 20%–40% 的空气中进行最大功率点（MPP）跟踪时，SOP 组运行 300 h 后仍保留 92.3% 的初始效率，对照组运行 180 h 后仅保留 60.0%。

钙钛矿/硅叠层器件

单片双端钙钛矿/硅叠层器件的光伏性能与稳定性。（a）单片钙钛矿/硅叠层太阳能电池的堆叠结构示意图；（b）经 SOP 处理的叠层器件截面扫描电子显微镜（SEM）图像。（c）冠军器件的 J–V 曲线；（d）冠军器件的稳态功率输出（SPO）。（e）经 SOP 处理的冠军叠层器件的外量子效率（EQE）曲线。（f）封装叠层器件在室温空气环境下接受连续 1 个标准太阳光强照射时的运行稳定性。（g）未封装叠层器件在充氮手套箱、65 °C 条件下的稳定性

研究将 SOP 处理的钙钛矿吸收层集成至单片双端钙钛矿/硅叠层电池，器件结构为 Si/ITO/空穴传输层/钙钛矿/C₆₀/SnOₓ/IZO/Ag，钙钛矿层平均厚度约 950 nm。

冠军器件 PCE 达到 32.30%，开路电压为 1.968 V，短路电流密度为 20.37 mA cm⁻²，填充因子为 80.58%；对照器件 PCE 为 30.07%。SOP 组稳态功率输出（SPO）效率为 31.77%，对照组为 28.67%。EQE 积分得到钙钛矿顶电池和硅底电池的电流密度分别为 20.75 mA cm⁻² 和 20.38 mA cm⁻²，匹配情况良好。

封装叠层器件在空气中连续 1 个标准太阳光强照射 1000 h 后，保留初始效率的 90.2%；未封装器件在氮气中 65 °C 热老化约 1000 h 后，保留 93.1%。对应对照器件在光照和热老化测试后的效率保持率分别为 71.4% 和 89.0%。

SOP 将结晶动力学调节与碘相关深能级缺陷钝化结合在同一分子中。磺酸基通过前驱体配位延缓溴富集相过快生长，促进碘持续并入并完成 I/Br 均匀化；铵基与碘相关缺陷相互作用，重构 I–I 三聚体，降低陷阱深度和密度。该协同机制改善薄膜结晶、降低非辐射复合损失，使 MA-free 宽带隙钙钛矿单结电池效率达到 23.81%，钙钛矿/硅叠层电池效率达到 32.30%，并在长时间光照和热老化测试中保持较高效率。

美能钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT

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钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+级LED太阳光模拟器作为老化光源，并在上一代基础上完成全面进阶：光谱范围拓展至300~1700 nm（AM0）、光谱等级达到AAA（AM0）、支持 24 通道独立可调，为钙钛矿太阳能电池、太空光伏及叠层电池（2T/3T/4T）的研究提供了强有力的支持。

▶ 光源等级：AAA（AM0），光谱范围 300~1700 nm，适用于太空光伏测试

▶ 多波段独立可控：24 通道可调（AM0），精准匹配三结、四结叠层电池子电池带隙

▶ 大样品夹具：支持 210×105 mm 叠层电池，夹具采用正背面金线挤压引出电极

▶ 环境可控：支持 15℃~100℃ 半导体控温，同时可在氮气环境（无水无氧）下测试

美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT不仅是性能验证工具，更是钙钛矿与叠层太阳能电池研究的高效测试平台。

原文参考：Bifunctional Molecular Regulation Couples Halide Homogenization With Deep-Level Defect Control in MA-Free Wide-Bandgap Perovskites for Tandem Solar Cells

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