一层BABr，体相和界面同时钝化：非辐射电压损失仅74 mV，钙钛矿电池效率23.78%

1 背景与问题

金属卤化物钙钛矿太阳能电池凭借其优异的光电特性，在功率转换效率（PCE）方面取得了飞速进展，认证效率已超过25%。然而，要进一步突破效率瓶颈，单纯提升短路电流已接近极限，关键在于降低开路电压损失。

目前，钙钛矿电池的带隙-电压偏移值（）仍显著高于砷化镓（GaAs）电池（）。非辐射复合损失，特别是源于体相缺陷和界面缺陷的复合，是造成电压损失的主要原因。为了逼近肖克利-奎伊瑟（Shockley–Queisser）理论极限，必须同时解决体相和界面的缺陷问题。此外，钙钛矿材料的稳定性问题（如湿度敏感、热稳定性差）也是制约其商业化应用的核心挑战。因此，开发一种能够同时钝化体相与界面缺陷，并精确量化电压损失来源的技术，是当前科研与产业界的迫切需求。

2 核心方案

针对上述挑战，该研究提出了一种维度梯度钙钛矿形成策略。研究团队利用正丁基溴化铵（BABr）溶液在3D钙钛矿薄膜表面进行旋涂处理，通过热退火驱动，成功在体相内部实现了自钝化的2D/3D钙钛矿分布，并在表面覆盖了一层维度梯度的宽禁带2D钙钛矿层。

这种多维度的钝化策略不仅修复了晶界处的体相缺陷，还通过能级梯度的设计优化了界面接触，有效抑制了非辐射复合。为了验证该策略的有效性，研究采用了多种高精度的光电表征手段，特别是利用电致发光（EL）和电致发光外量子效率（）来定量分析电压损失的构成。

图1.DGPF器件的结构设计及ToF-SIMS成像。a,b，我们制备的DGPF薄膜在SnO₂涂层ITO基底上的示意图（a）和横截面TEM图像（b）。c，沉积在ITO基底上的DGPF钙钛矿薄膜的ToF-SIMS深度分布图。深绿色和浅绿色阴影区域分别表示钙钛矿薄膜的表面和体相。

图2.闪烁体薄膜的结晶度与形貌。a，对照组（0 mg/ml⁻¹ BABr）和DGPF法制备的闪烁体薄膜在不同浓度BABr溶液（1、2和5 mg/ml⁻¹）下的二维GIWAXS衍射图案。b，整个二维GIWAXS图像的径向强度分布平均值。c，沿qz轴方向的强度分布。d，通过DGPF方法形成的二维/三维闪烁体薄膜示意图。在三维闪烁体薄膜表面形成了一层具有混合维度的薄型二维闪烁体覆盖层，且在三维结构的晶界之间可进一步生成二维相，从而形成混合的二维/三维闪烁体。e，不同BABr浓度下对照组与DGPF法制备的闪烁体薄膜的俯视SEM（上）和表面AFM（下）图像。

3 实验结果与分析

通过DGPF技术处理后的钙钛矿太阳能电池展现出了卓越的光伏性能。在1.63 eV的钙钛矿体系中，器件实现了21.54%的冠军效率，开路电压（）高达1.24 V，非辐射复合电压损失（）仅为0.11 V。

更令人瞩目的是，在经过优化的~1.53 eV钙钛矿体系中，器件性能达到了23.78%（认证效率23.09%），为 1.21 V。该体系的低至0.326 V，这是目前报道的最低值之一。

4 损耗机制深度解析

研究团队利用电致发光外量子效率（）对器件的损耗机制进行了定量拆解。根据互易关系，非辐射电压损失可通过公式计算得出。

在1.53 eV体系中，DGPF器件在注入电流密度为 24.57 mA cm时， 高达 5.78%，对应的 仅为 74 mV。

这一数值与高性能硅电池相当，且远优于传统的3D钙钛矿对照组。

图3.基于1.63 eV钙钛矿组成的PSCs的光电性能和光电子特性。a，基于最优控制器件和DGPF器件的正向与反向扫描方向测得的J-V曲线。b，对照器件与DGPF器件钙钛矿器件的EQE（光谱量子效率）和电致发光（EL）光谱。c，在注入电流密度为22 mA/cm²时，根据EL光谱计算出的EQEEL量子效率（用空心符号表示）。此处，对照组（0-BABr）和基于DGPF（2-BABr）的PSCs测得的VOC值分别为1.16 V和1.23 V。d，来自正向和反向扫描方向的最优对照组与基于DGPF器件在约1.53 eV钙钛矿体系中的J-V曲线。e，基于DGPF器件的EQE光谱，其集成JSC为24.25 mA cm⁻²。f，当作为LED运行时，控制型PSCs和基于DGPF的PSCs的EQEEL随注入电流密度的变化关系。

此外，DGPF器件在运行稳定性方面也表现优异。在1-Sun光照、最大功率点（MPP）跟踪条件下，封装器件在运行516小时后仍保持了 91%的初始效率，而对照组仅保留了16%。

图4.控制器和DGPF器件的运行稳定性。封装后的控制与DGPF钙钛矿器件的器件稳定性参数。数据来自器件在不同时间下的电流密度-电压扫描。a，n-i-p器件在开路条件下（20–30%相对湿度，35–40°C）置于0.8太阳强度的白色LED阵列下。b，p-i-n器件在环境条件下（30–40%相对湿度，60–65°C）使用1太阳光照的LED灯照射时，通过最大功率点（MPP）追踪获得稳定性数据。

5 产品介绍

HiYield-ENGL

太阳能电池能量损耗测试系统

HiYield-ENGL是一款太阳能电池电致发光与非辐射损耗诊断平台，用于通过EL光谱、EL外量子效率及光伏参数分析器件效率损失。系统主要用于识别非辐射复合和电压损失来源。适用于钙钛矿、有机、薄膜及高效率太阳能电池的损耗分解和器件优化。高效率钙钛矿、有机和薄膜太阳能电池越来越重视非辐射复合、电压亏损和接近辐射极限的程度。HiYield-ENGL利用绝对EL与电学数据分析外部辐射效率和非辐射电压损失，帮助判断界面、体相和接触层的改进效果。

5.1 技术特点

(1) 集成太阳能电池EL光谱与电致发光外量子效率测量，支撑器件损耗分析；

(2) 光谱覆盖300-1050/300-1800 nm，波长分辨率达到0.25 nm，适配主流薄膜和晶硅光伏材料；

(3) 可结合AAA模拟光源下的开路电压及EQE数据，对器件效率损耗进行关联分析；

(4) 围绕发光、外量子效率和电学参数建立太阳能电池专用分析流程；

(5) 绝对EL数据与Voc、EQE等光伏参数结合，可量化外部辐射效率和非辐射电压损失；

(6) 非辐射电压损失测量不确定度控制在10 mV级，弱EL信号覆盖至少6个数量级，并支持叠层子电池分波段分析。

5.2 产品优势

(1) 定位于损耗机制综合分析，而非仅输出EL光谱；

(2) 将发光测量与Voc、EQE等光伏关键参数关联，提高非辐射损耗判断的可解释性；

(3) 专用光伏数据分析软件，降低多设备数据拼接和模型处理门槛。

综上所述，BABr介导的维度梯度钝化策略将非辐射电压损失抑制至74 mV，实现了23.78%的冠军效率。东谱科技HiYield-ENGL系统将绝对EL与EQEₑₗ测量关联，非辐射电压损失测量不确定度控制在10 mV级。配合SolarYield量子效率系统（300-2500nm，精度10⁻⁷级）与PVLab稳定性测量仪（-20至150℃控温，MPPT秒级采样），可对钙钛矿器件进行损耗诊断与长期稳定性评估。东谱科技为光伏研究提供精准测试方案。

原文参考：Stable and low-photovoltage-loss perovskite solar cells by multifunctional passivation