北京
在混合组分宽禁带钙钛矿体系中，晶向是一种调控难度极高的晶体取向。相较于传统晶向，晶向可显著提升钙钛矿器件的工作稳定性，但通常会牺牲光伏性能，这一稳定性-效率权衡瓶颈长期限制了钙钛矿叠层电池的性能迭代，至今难以突破。针对该技术难题，浙江大学余学功、杨德仁、黄平捷团队联合浙江晶科能源有限公司高级研究员徐孟雷，将噻吩基自组装单分子层（SAM）引入钙钛矿前驱体墨水作为功能添加剂，成功诱导钙钛矿薄膜优先沿晶向择优结晶。该噻吩基SAM可自发偏析于钙钛矿晶界处，一方面通过构筑强铅-硫键形成稳定的界面钝化层，有效钝化薄膜缺陷；另一方面利用共轭噻吩基团精准调控界面能带对齐，同步实现缺陷优化与能级匹配。基于该改性策略制备的钙钛矿/TOPCon叠层太阳能电池，最优光电转换效率达33.00%，第三方认证效率为32.56%。更重要的是，该器件的抗光热老化性能显著提升，在1倍太阳光强、65℃条件下连续工作1000h后，仍可保留89.8%以上的初始性能，充分证实了噻吩基SAM在构筑高稳定钙钛矿叠层光伏器件中的关键作用。
为进一步量化噻吩基SAM对器件稳定性的提升效果，本文系统汇总了已报道的TOPCon基叠层电池性能数据，开展效率与工作稳定性的横向对比。研究采用三套互补的老化测试体系，分别对应不同的器件衰减机制，全方位验证了改性叠层器件的工作可靠性。在惰性气氛、25℃±5℃条件下进行最大功率点（MPPT）持续稳态测试，用以评估器件工作过程中的本征光稳定性与离子迁移动力学行为。测试结果表明，初始效率为32%的改性叠层器件，可连续稳定工作2000h以上，且光电转换效率始终维持在29%以上；而对照组器件仅工作约900h，性能便衰减至初始效率的90%，改性器件的稳定寿命实现翻倍提升。
本研究进一步通过氮气氛围65℃光热应力加速老化测试，探究高温环境下器件的热分解与缺陷迁移规律。在该严苛工况下，改性器件经过1000h持续运行，效率仍可保持初始值的90%左右，相较于对照组仅300h的T90寿命，高温稳定性提升三倍以上。该优异的抗老化性能，归因于SAM诱导形成的亚稳态择优取向晶格，可有效抑制光致相分离；同时界面处稳定的铅-硫共价键构建了高效防护体系，相较于传统MeO-2PACz/钙钛矿界面，该新型键合界面可有效抵御光照、高温与偏压带来的多重损耗。
综合性能对比结果表明，该团队开发的改性策略成功实现了器件效率与稳定性的协同优化，无论是25℃–35℃常温环境，还是50℃–85℃高温加速老化环境，该叠层器件的综合性能均优于目前已报道的同类TOPCon基钙钛矿叠层电池。研究同时开展了85℃、85%相对湿度的湿热老化测试，同步考核器件的耐湿性、离子迁移稳定性与晶体相稳定性。经封装后的改性器件T90寿命超600h，完全满足IEC61215光伏器件国际标准。器件优异的湿热稳定性，不仅得益于封装结构的防护作用，更源于偏析分布的TPPA噻吩基分子：该分子可在界面形成疏水屏障，抑制水汽侵入，同时通过持续的铅-硫键缺陷钝化作用，杜绝界面缺陷引发的连锁性能衰减。该多维度协同防护机制，为实际应用场景下高效率、高稳定钙钛矿叠层光伏器件的开发与产业化提供了全新的技术范式。
文献信息
ThienylSelf-AssembledMoleculeEnabledStablePerovskite/TOPConSiliconTandem
DaoyongZhang,ZhifenHuang,ZuozuoWu,RuilinLi,WenboLv,XingqiFu,JunganWang,JieYang,XinyuZhang,MengleiXu,PengjieHang,DerenYang,XuegongYu
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.5241611
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