一層BABr，體相和界面同時鈍化：非輻射電壓損失僅74 mV，鈣鈦礦電池效率23.78%

1 背景與問題

金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池憑借其優異的光電特性，在功率轉換效率（PCE）方面取得了飛速進展，認證效率已超過25%。然而，要進一步突破效率瓶頸，單純提升短路電流已接近極限，關鍵在於降低開路電壓損失。

目前，鈣鈦礦電池的帶隙-電壓偏移值（）仍顯著高於砷化镓（GaAs）電池（）。非輻射複合損失，特別是源於體相缺陷和界面缺陷的複合，是造成電壓損失的主要原因。為了逼近肖克利-奎伊瑟（Shockley–Queisser）理論極限，必須同時解決體相和界面的缺陷問題。此外，鈣鈦礦材料的穩定性問題（如濕度敏感、熱穩定性差）也是製約其商業化應用的核心挑戰。因此，開發一種能夠同時鈍化體相與界面缺陷，並精確量化電壓損失來源的技術，是當前科研與產業界的迫切需求。

2 核心方案

針對上述挑戰，該研究提出了一種維度梯度鈣鈦礦形成策略。研究團隊利用正丁基溴化銨（BABr）溶液在3D鈣鈦礦薄膜表面進行旋塗處理，通過熱退火驅動，成功在體相內部實現了自鈍化的2D/3D鈣鈦礦分布，並在表面覆蓋了一層維度梯度的寬禁帶2D鈣鈦礦層。

這種多維度的鈍化策略不僅修複了晶界處的體相缺陷，還通過能級梯度的設計優化了界面接觸，有效抑製了非輻射複合。為了驗證該策略的有效性，研究采用了多種高精度的光電表征手段，特別是利用電緻發光（EL）和電緻發光外量子效率（）來定量分析電壓損失的構成。

圖1.DGPF器件的結構設計及ToF-SIMS成像。a,b，我們製備的DGPF薄膜在SnO₂塗層ITO基底上的示意圖（a）和橫截面TEM圖像（b）。c，沉積在ITO基底上的DGPF鈣鈦礦薄膜的ToF-SIMS深度分布圖。深綠色和淺綠色陰影區域分別表示鈣鈦礦薄膜的表面和體相。

圖2.閃爍體薄膜的結晶度與形貌。a，對照組（0 mg/ml⁻¹ BABr）和DGPF法製備的閃爍體薄膜在不同濃度BABr溶液（1、2和5 mg/ml⁻¹）下的二維GIWAXS衍射圖案。b，整個二維GIWAXS圖像的徑向強度分布平均值。c，沿qz軸方向的強度分布。d，通過DGPF方法形成的二維/三維閃爍體薄膜示意圖。在三維閃爍體薄膜表面形成了一層具有混合維度的薄型二維閃爍體覆蓋層，且在三維結構的晶界之間可進一步生成二維相，從而形成混合的二維/三維閃爍體。e，不同BABr濃度下對照組與DGPF法製備的閃爍體薄膜的俯視SEM（上）和表面AFM（下）圖像。

3 實驗結果與分析

通過DGPF技術處理後的鈣鈦礦太陽能電池展現出了卓越的光伏性能。在1.63 eV的鈣鈦礦體系中，器件實現了21.54%的冠軍效率，開路電壓（）高達1.24 V，非輻射複合電壓損失（）僅為0.11 V。

更令人矚目的是，在經過優化的~1.53 eV鈣鈦礦體系中，器件性能達到了23.78%（認證效率23.09%），為 1.21 V。該體系的低至0.326 V，這是目前報道的最低值之一。

4 損耗機製深度解析

研究團隊利用電緻發光外量子效率（）對器件的損耗機製進行了定量拆解。根據互易關系，非輻射電壓損失可通過公式計算得出。

在1.53 eV體系中，DGPF器件在注入電流密度為 24.57 mA cm時， 高達 5.78%，對應的 僅為 74 mV。

這一數值與高性能矽電池相當，且遠優於傳統的3D鈣鈦礦對照組。

圖3.基於1.63 eV鈣鈦礦組成的PSCs的光電性能和光電子特性。a，基於最優控製器件和DGPF器件的正向與反向掃描方向測得的J-V曲線。b，對照器件與DGPF器件鈣鈦礦器件的EQE（光譜量子效率）和電緻發光（EL）光譜。c，在注入電流密度為22 mA/cm²時，根據EL光譜計算出的EQEEL量子效率（用空心符號表示）。此處，對照組（0-BABr）和基於DGPF（2-BABr）的PSCs測得的VOC值分別為1.16 V和1.23 V。d，來自正向和反向掃描方向的最優對照組與基於DGPF器件在約1.53 eV鈣鈦礦體系中的J-V曲線。e，基於DGPF器件的EQE光譜，其集成JSC為24.25 mA cm⁻²。f，當作為LED運行時，控製型PSCs和基於DGPF的PSCs的EQEEL隨注入電流密度的變化關系。

此外，DGPF器件在運行穩定性方面也表現優異。在1-Sun光照、最大功率點（MPP）跟蹤條件下，封裝器件在運行516小時後仍保持了 91%的初始效率，而對照組僅保留了16%。

圖4.控製器和DGPF器件的運行穩定性。封裝後的控製與DGPF鈣鈦礦器件的器件穩定性參數。數據來自器件在不同時間下的電流密度-電壓掃描。a，n-i-p器件在開路條件下（20–30%相對濕度，35–40°C）置於0.8太陽強度的白色LED陣列下。b，p-i-n器件在環境條件下（30–40%相對濕度，60–65°C）使用1太陽光照的LED燈照射時，通過最大功率點（MPP）追蹤獲得穩定性數據。

5 產品介紹

HiYield-ENGL

太陽能電池能量損耗測試系統

HiYield-ENGL是一款太陽能電池電緻發光與非輻射損耗診斷平台，用於通過EL光譜、EL外量子效率及光伏參數分析器件效率損失。系統主要用於識別非輻射複合和電壓損失來源。適用於鈣鈦礦、有機、薄膜及高效率太陽能電池的損耗分解和器件優化。高效率鈣鈦礦、有機和薄膜太陽能電池越來越重視非輻射複合、電壓虧損和接近輻射極限的程度。HiYield-ENGL利用絕對EL與電學數據分析外部輻射效率和非輻射電壓損失，幫助判斷界面、體相和接觸層的改進效果。

5.1 技術特點

(1) 集成太陽能電池EL光譜與電緻發光外量子效率測量，支撐器件損耗分析；

(2) 光譜覆蓋300-1050/300-1800 nm，波長分辨率達到0.25 nm，適配主流薄膜和晶矽光伏材料；

(3) 可結合AAA模擬光源下的開路電壓及EQE數據，對器件效率損耗進行關聯分析；

(4) 圍繞發光、外量子效率和電學參數建立太陽能電池專用分析流程；

(5) 絕對EL數據與Voc、EQE等光伏參數結合，可量化外部輻射效率和非輻射電壓損失；

(6) 非輻射電壓損失測量不確定度控製在10 mV級，弱EL信號覆蓋至少6個數量級，並支持疊層子電池分波段分析。

5.2 產品優勢

(1) 定位於損耗機製綜合分析，而非僅輸出EL光譜；

(2) 將發光測量與Voc、EQE等光伏關鍵參數關聯，提高非輻射損耗判斷的可解釋性；

(3) 專用光伏數據分析軟件，降低多設備數據拚接和模型處理門檻。

綜上所述，BABr介導的維度梯度鈍化策略將非輻射電壓損失抑製至74 mV，實現了23.78%的冠軍效率。東譜科技HiYield-ENGL系統將絕對EL與EQEₑₗ測量關聯，非輻射電壓損失測量不確定度控製在10 mV級。配合SolarYield量子效率系統（300-2500nm，精度10⁻⁷級）與PVLab穩定性測量儀（-20至150℃控溫，MPPT秒級采樣），可對鈣鈦礦器件進行損耗診斷與長期穩定性評估。東譜科技為光伏研究提供精準測試方案。

原文參考：Stable and low-photovoltage-loss perovskite solar cells by multifunctional passivation