研究困難與挑戰

現有的高效電荷選擇性接觸層（如自組裝單分子層，SAMs）多針對窄能隙鈣鈦礦太陽能電池進行最佳化，其能階特性並未為寬能隙（WBG）鈣鈦礦量身設計。這種介面能階失配導致嚴重的非輻射複合，直接造成開路電壓損失與填充因子降低，嚴重限制了器件的整體功率轉換效率。  

本研究的核心挑戰在於如何系統性且精確地調控SAM能階，使其與WBG鈣鈦礦層達到最佳匹配，從而降低介面複合損失、提升電荷萃取效率，最終改善WBG鈣鈦礦子電池及疊層電池的整體性能。 

研究團隊與發表

這項突破性研究由來自浙江大學的薛晶晶教授和Deren Yang 教授共同領導，研究成果發表在享譽國際的學術期刊 Nature Communications。團隊展示了如何利用分子結構中的誘導效應，精確且系統地調控SAMs的能階，並基於此製備了高效能 WBG 鈣鈦礦單接面電池和創記錄效率的鈣鈦礦/TOPCon 疊層電池。

研究成就與看點

• 核心創新：成功利用分子結構中的「誘導效應 (Inductive Effect)」來精準、系統性地調控自組裝單分子層 (SAMs) 的能階。
• 實現 SAMs 能階最佳化以匹配寬能隙 (WBG) 鈣鈦礦電池的需求，解決了能階失配導致的效率瓶頸。
• 證實含強給電子基團的 PyAA-MeO SAMs 構建了最有利的界面能階對齊，顯著促進了電洞提取並大幅降低了非輻射複合損失。
• 製備出高效能的 WBG 鈣鈦礦單接面電池，功率轉換效率 (PCE) 最高達到 22.8%，並具有高開路電壓 (V_OC) 和填充因子 (FF)。
• 器件展現出優異的穩定性，在光照、熱應力和最大功率點追蹤等多種加速老化測試下均表現出色。
• 基於最佳化後的 SAMs，成功構建了高效能的鈣鈦礦/TOPCon 疊層電池，實現了 31.1% 的功率轉換效率 (第三方認證為 30.9%)。
• 透過分析 PLQY 結果，萃取並量化了準費米能階分裂(QFLS)的增益，PyAA-MeO 摻入的鈣鈦礦薄膜展現出最大的 QFLS 增益 (48.1 meV)，與在光伏器件中觀察到的最高V_OC表現吻合，反映了非輻射複合損失的降低。
• 此疊層電池效率是目前已報導的鈣鈦礦/TOPCon 疊層電池中最高的效率之一。

Fig 4e

實驗過程與步驟

分子設計與合成

研究團隊設計並合成了一系列基於芘核心結構、帶有丙烯酸錨定基團的SAM分子，包括PyAA、PyAA-Br、PyAA-Me和PyAA-MeO，各分子具有不同的電子特性功能基團。

SAMs薄膜製備

將合成的SAM分子溶於特定溶劑中，透過旋塗法在ITO基板上沉積形成單分子薄膜，隨後進行退火處理以穩定薄膜結構。

鈣鈦礦薄膜製備

在SAMs修飾的ITO基板上，配製寬能隙鈣鈦礦前驅物溶液，使用旋塗及反溶劑處理技術沉積鈣鈦礦薄膜，並進行退火處理。

單接面太陽能電池製備

以SAMs修飾ITO為基底，依序沉積鈣鈦礦層，再透過熱蒸發方法沉積電子傳輸層（LiF、C₆₀、BCP）及銀電極，完成倒置結構的單接面鈣鈦礦太陽能電池。

疊層太陽能電池製備

將最佳化的寬能隙鈣鈦礦子電池（基於PyAA-MeO）整合至商業化TOPCon晶體矽子電池。在TOPCon矽基板上依序沉積NiO_x層、SAMs、鈣鈦礦層、表面鈍化層，以及中間層（LiF、C₆₀、SnO₂）和頂部電極結構（IZO、Ag、LiF），組裝成鈣鈦礦/TOPCon疊層太陽能電池。

理論計算輔助

利用密度泛函理論和第一性原理計算模擬SAM分子在ITO表面的結構與相互作用，輔助理解實驗觀察現象並指導實驗設計。

表徵方法與結果

1.J-V 特性量測

研究團隊使用模擬 AM 1.5 G 光譜 (100 mW cm⁻²) 照射下的源測量單元 (Keithley 2400) 進行 J-V 特性量測。進行精確可靠的 J-V 量測需要高品質的太陽光模擬器，光焱科技Enlitech SS-X太陽光模擬器，其 AM1.5G 濾光片採用先進的等離子沉積技術，具有高光譜準確度和優異的耐用性。

結果顯示，基於不同 SAMs 的寬能隙 PSCs，其平均效率從 PyAA-Br 的 12.9% 逐漸提升至 PyAA-MeO 的 22.1%。其中，PyAA-MeO 基底的器件表現最佳，實現了 22.8% 的 PCE，具備 1.24 V 的 V_OC、84.3% 的 FF 和 21.8 mA cm⁻² 的 J_SC。

圖 4a 呈現了基於不同 SAMs 的 PSCs 冠軍器件的 J-V 曲線，表1總結了這些器件的性能參數。

圖 4e則展示了冠軍疊層電池的 J-V 曲線。

2.外部量子效率 (EQE) 量測

測量電池在不同波長光照下產生載流子的效率，驗證 J-V 量測中的 J_SC 值。研究團隊使用Enlitech QE-R 外部量子效率整合系統，在短路條件下進行的量測，使用了鎖相放大器和電流前置放大器。EQE 量測能理解電池在不同光譜範圍內的響應。光焱科技Enlitech QE-R 量子效率量測系統，具有高重複性 (> 99.5%)，並配備兩個獨立的雙相鎖相放大器，可同時監測光功率和器件訊號。

圖 4b 比較了基於 PyAA 和 PyAA-MeO 的冠軍器件的 EQE 曲線。PyAA-MeO 基底器件的 EQE 曲線顯示了更高的響應，積分計算得到的 J_SC 值為 21.0 mA cm⁻²，高於 PyAA 基底器件的 20.2 mA cm⁻²。EQE 積分電流的提升歸因於改進的能量對齊帶來更有效的電洞提取。

圖 4f 顯示了鈣鈦礦/矽疊層器件中 WBG 子電池和矽子電池的 EQE 曲線，積分 J_SC 值分別為 19.8 mA cm⁻² 和 19.7 mA cm⁻²。

3.準費米能階分裂 (QFLS) 與相關光學表徵

QFLS (Quasi-Fermi Level Splitting) 描述了光生載流子在光照下的非平衡能級分布，用於量化材料的 V_OC 潛力，並幫助理解非輻射複合損失的來源。研究團隊量測了基於不同 SAMs 的鈣鈦礦薄膜的 PLQY。研究團隊使用Enlitech LQE-50-EL(LQ-50)電致發光外部量子效率系統，收集 EQE_EL。

透過PLQY量測，研究發現其值隨 SAM 官能團給電子能力增強而增加，從 PyAA-Br 的 0.70% 升至 PyAA-MeO 的 5.71%。基於此推算的準費米能階劈裂 (QFLS) 增強值也呈現相同趨勢，從 PyAA-Br 的 17.2 meV 增至 PyAA-MeO 的 48.1 meV， PyAA-MeO 展現出最大 QFLS 增強，這與其器件的最高開路電壓 (V_OC) 高度吻合。此外，全器件的EQE_EL量測進一步證實，EQE_EL 值隨官能團給電子能力增強而提升，使得 PyAA-MeO 器件的電壓損失 (ΔV) 最小 (僅 0.18 mV)。這些優異的光電性能指標源於有利的介面能量對齊，促進了高效電洞提取並顯著減少了界面電荷複合。

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4.瞬態光電流 (TPC) 衰減量測

研究載流子（電洞）在短路條件下的提取動力學。由給電子甲氧基團誘導效應所帶來的介面能量對齊最佳化，有效地促進了電洞的快速提取。(圖 3d)

其他表徵

• X 射線繞射 (XRD)：評估鈣鈦礦薄膜的結晶品質。各樣本的峰位和強度幾乎相同，且幾乎沒有觀察到 PbI₂ 的峰，表明不同官能團對鈣鈦礦的結晶影響不大。(圖2a)
• 二維掠入射廣角 X 射線散射 (2D GIWAXS)：研究鈣鈦礦薄膜沉積在不同基底上的晶體取向。在所有四種情況下，鈣鈦礦薄膜的晶體取向相似。這進一步證實，改變 SAM 官能團對鈣鈦礦薄膜的結晶和取向沒有顯著影響。(圖S 24)
  
• 掃描電子顯微鏡 (SEM)：觀察鈣鈦礦薄膜的表面形貌。SAM 官能團的修改對上方沉積的鈣鈦礦層薄膜品質影響可忽略。(圖 2b)
  
• 紫外-可見光譜 (UV-vis spectroscopy)：評估鈣鈦礦薄膜的光學吸收特性和光學能隙。相似的光譜形狀和強度表明，官能團的改變並未改變鈣鈦礦材料的光吸收和光學能隙。(圖 2c)
  
• 紫外光電子能譜 (UPS)：獲取 SAM 修飾的 ITO 表面的能級資訊，並分析 SAM 與鈣鈦礦界面的能量對齊。證明觀察到的能量對齊改善主要源於 SAM 能級的改變。(圖 3b)
  
• 凱爾文探針力顯微鏡 (KPFM)：測量 SAM 修飾表面的表面電勢變化。顯示，表面電勢隨著官能團給電子能力的增強而降低，這表明從 PyAA-Br 到 PyAA-MeO 的 p 型行為越來越明顯。(圖S 30)
  
• 時間分辨光致發光 (TRPL)：研究鈣鈦礦薄膜中的載流子動力學，特別是電荷提取過程。PyAA-MeO 基底樣本的微分壽命曲線中的第一個間隔最短，這一段主要受電荷轉移過程主導，證實了 PyAA-MeO 優異的介面電荷提取能力。(圖 3c)
  
• 時間分辨 PL 光譜與 PL Mapping：評估鈣鈦礦薄膜的光穩定性。光照 24 小時後，所有樣本的 PL 發射都出現了相似的紅移。這證實 SAM 中的官能團對寬能隙鈣鈦礦薄膜的相穩定性影響可忽略不計。(圖S 26.27)
  
• 最大功率點追蹤 (MPPT) 穩定性測試：評估器件在連續光照下的長期穩定性。圖S 39 提供了 MPPT 追蹤曲線。研究報告未封裝的器件在 60 °C 下進行 400 小時 MPPT 測試後，基於 PyAA-MeO 的器件保留了超過 99% 的初始效率。在約 2500 小時的不同加速老化測試中，其效率仍保留超過 96%，顯示了其增強的耐外部刺激能力。
  
• 加速老化測試 (Accelerated aging tests)：加速條件下評估器件的長期壽命。器件在約 2500 小時後仍能保留超過 96% 的初始效率。

研究總結

• 精確調控SAMs能階的策略：研究成功開發了利用功能基團誘導效應來精確且系統性調控自組裝單分子層能階的策略，為客製化介面以匹配特定能隙鈣鈦礦提供了關鍵方法。
• 最佳化介面能階與電荷萃取：透過引入強給電子能力的甲氧基團（PyAA-MeO），成功最佳化了SAM與寬能隙鈣鈦礦間的界面能階對準，創造有利於電洞萃取的能帶彎曲，實驗證實PyAA-MeO具有最優異的介面電荷萃取能力。
• 單接面WBG鈣鈦礦電池的高效能：使用經能階最佳化的PyAA-MeO作為電洞選擇層，顯著提升了WBG鈣鈦礦太陽能電池性能，冠軍器件達到22.8%的光電轉換效率，主要歸功於改善的介面電洞萃取和降低的非輻射複合損失。
• 有效降低非輻射複合與電壓損失：最佳化的介面能階對準和高效電洞萃取有效降低器件非輻射複合。PLQY、QFLS、EQE_EL測試均顯示，PyAA-MeO器件具有最低的非輻射複合損失和最小的開路電壓損失。
• 實現高效率疊層太陽能電池：將高性能WBG鈣鈦礦子電池（採用PyAA-MeO）整合至商用TOPCon晶體矽子電池，成功構建高效能鈣鈦礦/TOPCon疊層太陽能電池。1 cm²活性面積疊層器件達到31.1%冠軍效率（第三方認證30.91%），為TOPCon疊層電池報導的最高效率之一。
• 展現卓越器件穩定性：PyAA-MeO器件展現優異的運行和熱穩定性。未封裝器件在加速老化測試中，包括最大功率點追蹤、持續光照和持續加熱，經長時間運行後仍保持96%-99%的初始效率。
• SAMs對鈣鈦礦薄膜影響輕微：不同功能基團的SAMs對其上沉積的鈣鈦礦薄膜的結晶、形態、光學特性和光穩定性影響甚微，進一步證實器件性能提升主要歸因於SAM與鈣鈦礦介面的改善，而非鈣鈦礦薄膜本身的變化。

原文資訊

原文資訊

文章標題：Inductive effects in molecular contacts enable wide-bandgap perovskite cells for efficient perovskite/TOPCon tandems
出處（期刊名稱）：nature communications
出版日期：2025.05.15
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59896-8