寬帶隙（WBG）鈣鈦礦在實現高效鈣鈦礦 / 矽疊層太陽能電池方面具有巨大潛力。然而，鈣鈦礦與電子選擇性接觸界面處的界面能量損失，仍是其逼近理論效率極限的一大阻礙。其中界面能量損失是核心瓶頸 -鈣鈦礦與電子選擇性接觸界面易出現薄膜缺陷、偶極失配，引發非輻射複合，同時導緻能帶排列不合理、載流子提取效率低，限製器件逼近理論效率。現有界面修飾方案功能單一，僅能解決某一類問題，無法系統性改善界面多維度缺陷。因此開發兼具多重功能的界面調控材料，是突破寬帶隙鈣鈦礦/矽疊層電池效率瓶頸的關鍵，本文首次設計了一種兼具路易斯酸 / 堿基團與強分子極性的多功能籠狀二銨氯化物分子：該分子可減少薄膜缺陷、調控界面偶極，進而抑製非輻射複合並優化表面能帶排列。

研究團隊開發了一種新型多功能籠狀二銨氯化物（DCl）分子，用於修飾鈣鈦礦 / C60 界面，實現多維度優化：

（1）基礎界面調控：借助分子的路易斯酸 / 堿基團與偶極矩，抑製表面缺陷、優化能級排列，減少界面複合並提升電子選擇性。

（2）關鍵作用機製：該籠狀二銨陽離子能夠誘導形成具有垂直取向特征的鐵電純相準二維鈣鈦礦結構，通過調控表面功函數降低，有效強化了載流子的分離效率與提取動力學過程。

（3）鈣鈦礦電池性能：1.68 eV 帶隙器件中，0.1 cm² 小面積 PCE 達 22.6%，1.21 cm² 大面積 PCE 保持 21.0%。

（4）疊層電池應用成果：將該鈣鈦礦集成到鈣鈦礦 / TOPCon 疊層電池中，1.0 cm² 面積 PCE 達 31.1%，環境條件下長期穩定性優異（T85 > 1020 小時）。

該研究采用了多種測試表征技術，包括：FTIR、SEM、XRD、SSPL、PL、CLSF、UPS、AFM、KPFM、PFM、PLQY、TRPL、TPV、TPC、EQE、JV、QFLS等。 

圖1鈣鈦礦薄膜的形貌和結晶度。a（左）對照膜和（右）dcl處理的鈣鈦礦膜的俯視圖圖像。b（左）對照和（右）dcl處理鈣鈦礦膜的AFM圖像。c，d 對照和dcl處理的鈣鈦礦膜的二維GIWAXS圖，掠入射角為0.2°。e在0.2°入射角下，對照和DCl處理的鈣鈦礦膜沿平面方向（qx）的1D-GIWAXS剖面圖。f 對照dcl處理的鈣鈦礦薄膜的原子力顯微鏡成像。g ToF-SIMS三維圖像的籠狀銨離子（C6H13N2+）和氯離子（Cl−）。

圖2鈣鈦礦薄膜的缺陷鈍化。MeO-2PACz/的QFLS圖。a 鈣鈦礦薄膜、MeO-2PACz/鈣鈦礦/C60半堆和MeO-2PACz/鈣鈦礦/C60半堆DCl/C60半堆疊。(b)對照和(c) dcl處理的鈣鈦礦膜的PL圖。d 對照和dcl處理的鈣鈦礦膜的TRPL光譜。載體一生(e)對照和(f) dcl處理的鈣鈦礦薄膜的CLSM圖像。g 鈣鈦礦表面各類缺陷的缺陷形成能Inset表示俯視圖)。缺陷(h)的態偏密度（PDOS）鈣鈦礦（IPb對位）和(i) DCl鈍化鈣鈦礦。

圖3鈣鈦礦薄膜的表面功函數和鐵電效應。a 對照dcl處理的鈣鈦礦膜的二次電子截止（SECO）和價帶最大值（VBM）。b （左）對照鈣鈦礦膜和（右）dcl處理鈣鈦礦膜的kpfmimage。c， d dft計算了不吸附籠狀陽離子和吸附籠狀陽離子時鈣鈦礦的靜電勢和表面功函數。e 籠狀陽離子吸附鈣鈦礦的電荷密度差。黃色等面表示電子積累，藍色等面表示電子消耗。(f)對照和(g) dcl處理的鈣鈦礦膜±10V偏置的PFM寫入疇圖像。h對照和dcl處理的鈣鈦礦膜相分布直方圖。

圖4｜器件性能與鐵電極化機製。a 摻雜和dcl處理的鈣鈦礦電池在極化前的J-V曲線。b 冠軍器件經 DCl 處理的鈣鈦礦太陽能電池的 J-V 曲線，其開口面積為 1.21 平方厘米。c 冠軍對照組和經 DCl 處理的鈣鈦礦太陽能電池在施加 0.5V 正向偏置 5 分鍾後的 J-V 曲線。d DCl介導的準二維鈣鈦礦中由極化原理誘導的示意圖。e 極化前冠軍對照組和DC1處理組鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池的J-V曲線。f 極化後冠軍DC1處理組鈣鈦礦疊層電池的J-V曲線及相應光伏參數。g 活性面積為4cm²的大面積鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池的J-V曲線。鈣鈦礦/電子選擇性接觸界面處的界面能量損失仍然是阻礙鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池接近其理論效率極限的一個難題。本研究采用一種籠狀二銨氯化物分子來調控界面偶極。

1.光瞬態光電流光電壓光電荷測量儀TranPVC 900

TranPVC 900基於東譜科技的MagicBox主機研製而成，是專為光伏、光催化、光探測等研究領域開發的高性能TPV/TPC/TPQ測量平台，集成了數種前沿的瞬態測量模式，為光電器件的機理研究提供了強有力的、便捷的測試工具。TranPVC 900測試功能包括：

（1）瞬態光電TPV

（2）瞬態光電流TPC

（3）瞬態光電荷TPQ

（4）電荷抽取CE

（5）開路電壓上升與衰減Voc Riseand Decay

（6）探測器響應時間TRTF

（7）On-off TPV、On-off TPC等數種前沿的測量模式。

圖 瞬態光電流TPC/光電壓TPV測量儀TranPVC 900

2.準費米能級分裂測試儀 HiYield-QFLS

HiYield-QFLS 是東譜科技開發的國內首款商業化準費米能級分裂測試儀。設備融合了一體化設計的理念，將眾多高精度的功能模塊集成於一個緊湊的機身之中，不僅節省了寶貴的實驗空間，還通過減少設備間的冗餘連接，顯著提高了整體的穩定性和工作效率。測試功能包括：

（1）電緻發光量子效率測量（EL）

（2）光緻發光（材料）QFLS 測試（QFLSPL）

（3）電緻發光（器件）QFLS 測試（QFLSEL）

（4）QFLSEL成像測試（QFLSEL-mapping）

（5）Pseudo-JV

（6）等效光伏特性測試（Equi-PV）

圖 2.準費米能級分裂測試儀 HiYield-QFLS

▍引用文章

Minimizing interfacial energy losses via multifunctional cage-like diammonium molecules for efficient perovskite/silicon tandem solar cells

https://doi.org/10.1038/s41467-025-63720-8