32.76%，高效稳定钙钛矿/TOPCon叠层电池：双模式配体调控FA⁺结晶

科创之家 2026-03-18 共27人围观

工业TOPCon技术已成为晶硅光伏市场主流，其薄硅片（~130 μm）虽降本但热导率极高（148W/mK），导致钙钛矿退火时热量传递过快、结晶速度较玻璃基底加快三倍。这种急速结晶引发界面空洞、卤化物偏析和严重的非辐射复合，使传统“无机调控”策略失效。美能大平台钙钛矿电池PL测试仪通过无接触式测试，监测各个工艺段中的异常，了解单节叠层钙钛矿电池的缺陷分布信息。

研究团队引入2-巯基苯并噻唑（MBT），其杂环氮原子和巯基能与钙钛矿主要有机阳离子FA⁺形成氢键和静电双重作用，通过“有机调控”延缓中间相转化、延长结晶窗口。优化后薄膜陷阱辅助复合速率从3.2×10⁵ cm⁻¹降至4.3×10⁴ cm⁻¹，最终两端钙钛矿/TOPCon叠层电池实现32.76%认证稳定效率，并在1700小时连续运行后保持91%初始性能，为钙钛矿融入主流硅技术提供了关键路径。

快速热传导诱发结晶缺陷

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a玻璃和晶体硅基底的厚度与热导率特性概览b 模拟的玻璃和晶体硅基底上的退火温度曲线c加热第一秒时，玻璃和晶体硅基底上的三维温度分布图d-e在玻璃和晶体硅基底上结晶过程中，PL光谱显示的发射峰演变F-g钙钛矿薄膜在玻璃和晶体硅上的截面扫描电子显微镜（SEM）图像h钙钛矿在玻璃和晶体硅基底上结晶机制的示意图

研究首先通过热模拟证实了这一点。将基底置于热板上，130微米厚的硅片在10秒内即可达到目标温度，而1.1毫米厚的玻璃则需要40秒以上。在最初的5秒内，硅片表面温度已飙升至98 °C，而玻璃仅为65 °C。

这种差异直接影响了结晶过程。原位光致发光（PL）追踪显示，在玻璃上，钙钛矿的结晶是一个持续超过15秒的“渐进式”过程；而在硅上，这一过程被压缩至短短5秒，速度快了三倍。这种急速结晶导致薄膜形貌恶化，截面电子显微镜（SEM）图像显示，在硅片上制备的薄膜底部（即埋底界面）存在大量微观空隙，而玻璃上的薄膜则致密无瑕。进一步实验证实，正是硅片的快速热传导导致了顶层过早固化，将残余溶剂封堵在薄膜底部，最终形成了这些有害的空隙。

通过双模式结合FA⁺的配体优化结晶过程

a配体分子的静电势（ESP）映射图bMBT与FA阳离子之间双模式氢键和静电相互作用的示意图c-d核磁共振（NMR）光谱e有无MBT的钙钛膜在退火初期结晶过程中的原位掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图谱f 添加MBT后通过调控FA阳离子实现结晶延缓的机制示意图

研究者提出了一种创新的“有机调控”思路。传统方法多集中于使用与无机铅（Pb²⁺）强配位的添加剂（如DMSO）来调控结晶，即“无机调控”。但在快速升温的硅片上，这种调控力度已显不足。研究团队另辟蹊径，将目标锁定在钙钛矿中占比最高的有机阳离子——甲脒（FA⁺）上。

研究发现，2-巯基苯并噻唑（MBT）是一种理想的候选物。理论计算和核磁共振（NMR）分析表明，MBT分子具有独特的双模式结合能力：其杂环上的氮原子可以与FA⁺中的氢形成氢键，而其巯基上的氢原子则能与FA⁺发生静电相互作用。这种双重作用使得MBT能与FA⁺形成比单一作用更稳定的结合。更重要的是，DFT计算显示MBT更倾向于与FAI结合，而非与PbI₂结合，这确保了其“有机调控”的主导地位。

掠入射广角X射线散射（GIWAXS）揭示了MBT的作用机制：添加MBT后，钙钛矿的中间相在退火过程中存留时间显著延长。这表明，MBT通过稳定FA⁺，延缓了中间相向最终钙钛矿相的转化，从而有效“踩下了结晶的刹车”，让晶体能够更从容、更均匀地生长。

薄膜质量与光电性能的全面提升

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a-d对照和目标薄膜的埋底界面顶视图（左）和截面形貌（右）的SEM图像e-f稳态共聚焦光致发光（PL）图谱g-h高光谱成像图i-j不同载流子浓度下对照和目标样品的时间分辨光致发光（TRPL）衰减曲线k-l光致发光量子产率（PLQY）及iVₒc的光电性能对比

得益于更平缓的结晶过程，MBT处理的钙钛矿薄膜质量得到了全面改善：

形貌优化：SEM图像显示，原先在硅片上常见的界面空隙被彻底消除，薄膜更加致密、均匀。原子力显微镜（AFM）也证实其表面更光滑。

成分与能级均匀：高光谱成像和元素分布图显示，MBT薄膜的发光峰位和元素分布更为均匀，而对照样品则出现明显的红移和成分不均，这通常与快速结晶导致的降解有关。开尔文探针力显微镜（KPFM）也证实其表面电势分布更均匀。

缺陷与复合大幅减少：时间分辨光致发光（TRPL）显示，MBT薄膜的载流子寿命是对照组的三倍。更为关键的是，通过变注量TRPL提取的陷阱辅助复合速率，从对照组的3.2×10⁵ cm⁻¹ 骤降至MBT组的4.3×10⁴ cm⁻¹，达到领域内领先水平。这直接证明了非辐射复合被极大抑制。

光致发光量子产率（PLQY）提升：在完整器件结构中，MBT薄膜的PLQY从0.15%跃升至1.80%，对应的隐含开路电压（iVₒc）超过1.29 V，比对照组高出60 mV，创下了宽带隙钙钛矿用于硅基叠层的新纪录。

器件应用：创纪录的叠层电池性能

a叠层器件结构的示意图b叠层器件的截面SEM图像c对照和目标叠层器件的电流密度-电压（J−VJ−V）特性曲线d-e 对照和目标器件的 Voc和PCE统计分布f 近期文献中报道的顶级的单块型钙钛矿/TOPCon叠层太阳能电池PCE总结g认证的稳态效率输出，在最大功率点追踪（MPPT）300秒后测得h封装的对照和目标叠层器件在ISOS-L-1协议下的MPPT稳定性曲线

将优化后的钙钛矿顶电池与工业级TOPCon硅底电池集成，制备了两端叠层器件。MBT处理的目标器件展现出显著优势：

效率突破：最佳器件的开路电压（Vₒc）从1.90 V提升至1.95 V，填充因子（FF）从80.35%提升至83.78%，推动功率转换效率（PCE）从31.28%跃升至33.62%。

权威认证：经国家光伏产业计量测试中心NPVM独立认证，器件获得了32.54 %的准稳态效率，并在300秒最大功率点追踪后测得32.76 %的稳定效率。这是目前钙钛矿/TOPCon叠层电池的最高认证稳定效率之一。

稳定性优异：在ISOS-L-1协议下（室温，85%相对湿度）进行最大功率点追踪，MBT处理的封装器件在连续运行近1700小时后，仍能保持初始效率的91%，远超对照组，证明了该策略在提升稳定性方面的巨大潜力。

本研究深刻揭示了工业级薄硅基底上钙钛矿结晶过快的问题根源，并提出了通过MBT双模式结合FA⁺有机阳离子来“减速提质”的创新策略。该策略有效优化了钙钛矿薄膜的形貌、成分和光电性能，最终在工业TOPCon硅片上实现了创纪录的高效稳定叠层电池。这项工作不仅为理解基底特异性结晶行为提供了新视角，也为钙钛矿技术融入主流光伏制造开辟了可行道路。研究者相信，该策略有望通过可扩展的溶液法应用于未来的工业生产中。

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪

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