郑州张懿强AM:两步法FAPbI₃认证效率26.21%!双功能分子调控钙钛矿结晶!

来源:钙钛矿太阳能电池之基石搭建发布时间:2025-12-03 09:06:47

图片

通讯作者:郑州张懿强

有机 - 无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)是最具发展潜力的光伏技术之一,但不受控的结晶过程会导致薄膜形貌不佳且缺陷大量存在,这严重制约了其性能提升。

本研究引入碳酸二苯酯(DPC)作为双功能分子调节剂,可同时调控 FAPbI₃薄膜的成核与生长过程。通过羰基 - Pb²⁺共价配位与芳香环 π-Pb²⁺非共价相互作用的协同效应,DPC 促进 PbI₂发生可控预聚集以降低成核势垒,同时其与前驱体的强结合作用可延缓后续晶体生长。

这种协同调控策略最终获得了晶粒均匀、尺寸大且缺陷密度显著降低的钙钛矿薄膜。结果表明,经 DPC 修饰的钙钛矿太阳能电池冠军光电转换效率(PCE)达到 26.61%(认证效率 26.21%),优于对照组器件(23.65%);具有可扩展性的迷你组件(活性面积 14.0 cm²)效率达到 21.24%。

此外,DPC 修饰的器件展现出优异的稳定性:在 ISOS-D-3 加速老化条件下储存 1200 小时后,仍能保持初始效率的 90% 以上;按照 ISOS-L-2 协议进行 1100 小时最大功率点跟踪测试后,性能同样稳定。

图片

图 1 钙钛矿薄膜的结晶动力学

a) 钙钛矿薄膜沉积过程示意图b) 含与不含 DPC 的 PbI₂前驱体溶液的动态光散射(DLS)测试结果c) 含与不含 DPC 的 PbI₂湿膜的 X 射线衍射(XRD)图谱d) 不含 DPC、e) 含 DPC 的 PbI₂溶液在 FAI 与 PbI₂比例递增时的紫外 - 可见吸收光谱f) 对照组、g) 目标组(DPC 修饰)钙钛矿薄膜在退火过程中的原位紫外 - 可见吸收光谱h) 对照组、i) 目标组(DPC 修饰)钙钛矿薄膜在退火过程中的原位光致发光(PL)光谱

图片

图 2 大面积钙钛矿薄膜的表面形貌与薄膜质量

a) 大面积薄膜分割为小块的示意图b) 大面积钙钛矿薄膜的光致发光(PL)mapping 图像c) 对照组、d) 目标组(DPC 修饰)钙钛矿薄膜在左、中、右区域的顶视扫描电子显微镜(SEM)图像e) 对照组、f) 目标组(DPC 修饰)钙钛矿薄膜在左、中、右区域的开尔文探针力显微镜(KPFM)图像(比例尺:400 nm)

图片

图 3 DPC 与钙钛矿的分子相互作用

a) 含与不含 PbI₂的 DPC 的傅里叶变换红外光谱(FTIR)b) 含与不含 PbI₂的 DPC 的氢核磁共振(¹H NMR)光谱c) 含与不含 PbI₂的 DPC 的碳核磁共振(¹³C NMR)光谱d) 对照组与目标组钙钛矿薄膜的铅(Pb)4f 轨道 X 射线光电子能谱(XPS)e) 对照组与目标组钙钛矿薄膜的碘(I)3d 轨道 X 射线光电子能谱(XPS)f) 对照组与目标组钙钛矿薄膜的光致发光(PL)mapping 图像(比例尺:5 µm)g) DPC 对钙钛矿作用的机理示意图

图片

图 4 钙钛矿太阳能电池(PSCs)的光伏性能

a) 冠军对照组与目标组器件的电流 - 电压(J-V)曲线b) 对照组与目标组器件的效率统计分布图c) 对照组与目标组器件在最大功率点(MPP)下的稳态光电流密度与光电转换效率(PCE)输出d) 对照组与目标组器件的外量子效率(EQE)光谱及积分短路电流密度(JSC)e) 不同光强下的开路电压(VOC)响应f) 目标组迷你组件(面积 14 cm²)的电流 - 电压(J-V)曲线g) 封装器件在 65℃/85% 相对湿度(RH)黑暗环境下的湿热稳定性测试h) 1 个太阳辐照下、65℃条件下的最大功率点(MPP)跟踪测试。

器件制备

钙钛矿太阳能电池的制备流程

  1. ITO 基底依次用去离子水、丙酮和乙醇清洗,每步清洗时长 15 分钟;随后用干燥氮气吹干,再进行 15 分钟紫外臭氧处理。
  2. 将稀释后的 SnO₂胶体溶液(质量分数 2.14%)通过旋涂法沉积在玻璃基底上,旋涂转速 4000 转 / 分钟、时间 30 秒,之后于 180℃退火 20 分钟。
  3. 钙钛矿薄膜采用两步沉积法制备:
    • 第一步:将 PbI₂溶液(浓度 1.4 mol/L,溶剂为 N,N - 二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)的混合液,体积比 9.4:0.6)以 1500 转 / 分钟的转速旋涂于 SnO₂层表面,旋涂时间 40 秒;
    • 第二步:将 FAI/MACl 混合溶液(80 毫克 FAI 与 16 毫克 MACl 溶于 1 毫升异丙醇(IPA))以 1800 转 / 分钟的转速旋涂于 PbI₂薄膜上,旋涂时间 40 秒;随后先在氮气氛围中 90℃退火 1 分钟,再在 30%-40% 相对湿度环境下 145℃退火 15 分钟。
  4. 空穴传输层(Spiro-OMeTAD)的制备:将 72.3 毫克 Spiro-OMeTAD、17.5 微升 Li-TFSI 溶液(520 毫克 Li-TFSI 溶于 1 毫升乙腈)和 29 微升叔丁基吡啶(tBP)溶于 1 毫升氯苯中,配制成均匀溶液;将该溶液以 4000 转 / 分钟的转速旋涂于钙钛矿薄膜表面,旋涂时间 30 秒。
  5. 最后,通过掩膜版热蒸发沉积 60 纳米厚的金(Ag)电极,完成器件制备。小尺寸器件的活性面积为 0.042 平方厘米。

钙钛矿太阳能组件(PSMs)的制备流程

  1. 电子传输层、空穴传输层及钙钛矿层的沉积工艺与小面积钙钛矿太阳能电池完全一致。
  2. 组件与小面积器件的核心差异在于:组件制备需增加激光刻蚀步骤,以实现子电池的电互连与隔离,具体刻蚀流程包括 P1、P2、P3 三步:
    • P1 刻蚀:对 6.5×6.5 厘米的 ITO 基底进行激光刻蚀,在基底上划分出 7 个独立的 ITO 子区域;
    • 依次沉积 SnO₂、钙钛矿(PVK)、Spiro-OMeTAD 层后,进行 P2 刻蚀:去除刻蚀路径上的 SnO₂/PVK/Spiro-OMeTAD 复合层,露出下方的 ITO;
    • 热蒸发沉积 100 纳米厚的 Ag 电极,覆盖电子传输层表面并填充 P2 刻蚀通道;
    • P3 刻蚀:隔离相邻子电池间的 Ag 电极,完成串联互连。
  3. 最终制备的钙钛矿太阳能组件包含 5 个串联的子电池,总活性面积为 14.0 平方厘米。

原文:https://doi.org/10.1002/adma.202517246


索比光伏网 https://news.solarbe.com/202512/03/50013821.html
责任编辑:周末
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
突破55W/g!我国新型钙钛矿空间光伏技术刷新“功质比”世界最高纪录!来源:钙钛矿工厂 发布时间:2026-01-29 08:47:41

量级革命,刷新人类光伏功质比最高纪录钙钛矿太阳能电池凭借其卓越的光电特性,成为制备高功质比器件的理想载体。公司科研团队自2019年起深耕大功质比超轻量柔性钙钛矿技术领域,历经数年技术攻关,多次刷新行业纪录。

27.87%!光因再破单结钙钛矿电池效率天花板来源:光伏前沿 发布时间:2026-01-26 09:17:45

光因科技此次突破,不仅大幅拉开了与晶硅技术的差距,更为全钙钛矿叠层电池突破35%的转换效率预留了充足空间。

33.45%!琏升科技异质结/钙钛矿叠层电池效率再攀新高峰来源:琏升科技 发布时间:2026-01-23 09:09:45

由琏升科技研发的钙钛矿/晶硅异质结叠层电池再次实现里程碑式效率跃升——经国家太阳能光伏产品质量检验检测中心权威认证,转换效率从32.99%提升至33.45%。这一效率突破的核心在于琏升科技对HJT底电池的深度重构和钙钛矿顶电池界面工程的升级。因此,异质结及异质结叠层电池具备“高效、轻质、低成本、柔韧、抗极端环境”等特性,有望成为平衡高效率与低成本的下一代技术路线。

协鑫集成申请钙钛矿电池界面修饰层结构专利,抑制非辐射复合提升电池效率来源:金融界 发布时间:2026-01-23 08:32:49

国家知识产权局信息显示,协鑫集成科技股份有限公司;芜湖协鑫集成新能源科技有限公司申请一项名为“钙钛矿电池及其制备方法、叠层电池和光伏组件”的专利,公开号CN121368259A,申请日期为2025年10月。通过天眼查大数据分析,协鑫集成科技股份有限公司共对外投资了32家企业,参与招投标项目504次,财产线索方面有商标信息21条,专利信息304条,此外企业还拥有行政许可45个。

32.38%效率认证!迈为股份实现G12H钙钛矿/晶硅异质结叠层电池关键突破来源:迈为股份 发布时间:2026-01-21 17:08:36

近日,经中国计量科学研究院权威认证,迈为股份采用自主研发的可量产设备与工艺,成功研制的钙钛矿/晶硅异质结叠层电池,光电转换效率达到32.38%。公司与苏州大学、北京工业大学等高校团队合作,成功开发出认证效率高达33.6%的柔性钙钛矿/晶硅异质结叠层太阳能电池。

大哲光能钙钛矿项目获批来源:钙钛矿光链 发布时间:2026-01-20 11:01:49

据浙江政务服务网公示信息,1月15日,嘉兴大哲光能有限公司钙钛矿太阳能电池研发项目完成备案。

牛津光伏:计划到2028年实现钙钛矿叠层组件效率达27%、寿命达20年的目标来源:钙钛矿工厂 发布时间:2026-01-19 09:23:53

近日,钙钛矿太阳能光伏领先公司牛津光伏(Oxford PV)表示,随着可靠性和光电转换效率的持续提升,计划于2028年将其钙钛矿/晶硅叠层太阳能组件产品实现批量化生产。

全球首张!极电光能钙钛矿组件获TÜV莱茵盐雾测试认证证书来源:极电光能 发布时间:2026-01-16 11:41:12

1月15日,极电光能再度迎来里程碑时刻:全球权威检测机构德国莱茵TÜV集团向极电光能颁发全球首张钙钛矿组件盐雾测试认证证书。这不仅是对极电光能产品可靠性的权威认可,更标志着钙钛矿光伏技术已初步具备进军海上光伏市场的产品力,技术价值实现重要跃升。极电光能也成为钙钛矿领域全球首家通过此认证的企业。

协鑫集成王皓正:三端钙钛矿叠层电池破局效率天花板,产业化落地进入攻坚期来源:索比光伏网 发布时间:2026-01-14 14:57:04

1月14日,碳索2025·第四届光能杯创新分享会在苏州举行,协鑫集成研发总监王皓正博士发表主题演讲,深入解析“钙钛矿叠层电池产业化的必然趋势”,系统阐述三端叠层架构的技术优势、工程化难点及突破路径,为行业突破效率天花板、实现高质量产业化提供关键思路。

共计1480万元!云南大学两项仪器设备采购助力钙钛矿领域攻关来源:钙钛矿光链 发布时间:2026-01-14 09:53:15

近日,云南大学发布34项仪器设备采购意向,预算总额达1.01亿元,涉及超快载流子动力学成像系统、原位微纳结构分析系统、全自动生化分析仪、全自动血细胞分析工作站、全光谱流式细胞仪、液相色谱串联质谱检测系统等,预计采购时间为2025年9月~2026年2月。

21.08%!江阴晶皓超薄柔性30*30cm钙钛矿组件效率新突破来源:钙钛矿光链 发布时间:2026-01-14 09:48:40

近日,江阴晶皓30cm*30cm大尺寸超薄柔性钙钛矿组件在国家光伏产业计量测试中心完成认证反扫效率突破21.08%,稳态效率(MPPT)达20.6%,达到国际领先水平。

新闻排行榜
本周
本月