研究背景與挑戰

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）雖在小面積器件展現突破性進展，但大面積模塊（PSMs）的性能瓶頸仍是商業化的關鍵障礙，其根本問題在于大面積鈣鈦礦薄膜質量控制的困難。

相較于實驗室惰性環境下的小面積制備，大面積制造面臨復雜的結晶動力學控制與嚴苛的環境挑戰，導致從電池到模塊的顯著效率損失。主要技術難點包括：

1.            制程控制復雜性：溶液制備涉及前驅體濃度、溶劑特性及制程參數的精密協調，這些因素的交互作用使致密均勻薄膜形成具挑戰性，限制了大面積制程所需的寬廣操作窗口。

2.            材料穩定性矛盾：雖然以甲脒（FA）或銫（Cs）替代揮發性甲胺（MA）可提升熱穩定性，但無MA的FACs鈣鈦礦易產生不良中間相且結晶行為難控；而過量Cs則會導致晶粒細化與結晶度下降。此外，FA+離子的大尺寸容易在薄膜中產生有害殘留應變。

3.            環境敏感性：空氣中的濕氣和氧氣對鹵化鉛鈣鈦礦具高反應性，可能引發破壞性相變和結構崩解，嚴重影響器件穩定性。

4.            研究策略局限：現有組分調控、添加劑工程等方法多專注單一面向，缺乏同時解決結晶控制與環境穩定性的整合策略，使得制備高質量大面積FACs鈣鈦礦薄膜仍是重大技術挑戰。

研究團隊

這篇研究由華中科技大學陳煒團隊發表于學術期刊《Advanced Energy Materials》。研究團隊提出引入雙功能添加劑——巰基乙酰胺（mercaptoacetamide, MAA）的創新策略，旨在同時解決大規模制造中鈣鈦礦薄膜質量控制與環境穩定性的雙重挑戰。

MAA添加劑的核心作用機制包括：

• 結晶動力學調控：延遲結晶速率，拓寬制程窗口，促進大晶粒形成并改善晶體取向

• 缺陷鈍化與質量提升：有效鈍化空位缺陷，提高薄膜均勻性與結晶度

• 環境保護功能：憑借強還原性，保護鈣鈦礦薄膜在空氣環境下免受水解和氧化損傷

透過MAA與鈣鈦礦組分的多重交互作用，該策略成功實現了結晶控制與環境穩定性的協同優化，為大面積高質量鈣鈦礦薄膜制備提供了有效解決方案。

實驗方法與研究流程

Fig.6a

研究以雙功能添加劑巰基乙酰胺（MAA）為核心，建立了從小面積器件到大面積模塊的完整技術路線，并結合理論計算深入解析作用機制。

1.            關鍵材料體系：采用FACs鈣鈦礦系統（FAI、PbI?、CsBr），搭配C60電子傳輸層、poly-4pacz自組裝單分子層，以及創新引入的MAA雙功能添加劑。

2.            制程技術路線：

l 基板處理與功能層制備：FTO基板經標準清洗后，依序沉積NiOx電洞傳輸層和SAM界面層

l 鈣鈦礦層制備：將不同濃度MAA引入前驅物溶液，采用刀片涂布法沉積，經真空處理和熱退火形成高質量薄膜

l 器件完整化：依序制備PEAI鈍化層、C??/BCP電子傳輸層及Cu電極。除金屬電極外，所有制程均在空氣環境下完成

3.            規模化驗證：成功將制程擴展至5×5 cm和14×14 cm大面積基板，透過雷射劃線技術實現子電池串聯互聯，模塊幾何填充因子達96%。

4.            理論與性能驗證：結合密度泛函理論（DFT）計算闡明MAA缺陷抑制機制，并進行光熱和濕熱條件下的長期穩定性測試，全面驗證添加劑效果。

表征方法與成果

準費米能階分裂(QFLS)

準費米能階分裂（QFLS）是衡量材料開路電壓潛力的關鍵指針，同時能揭示非輻射復合損失的來源。本研究透過光致發光量子產率（PLQY）測量來定量評估MAA對缺陷鈍化效果。

結果顯示，經MAA處理的鈣鈦礦薄膜，其PLQY值高達0.94%，遠高于對照組的0.25%。這表示薄膜內的非輻射復合顯著減少，預示著器件性能，尤其是開路電壓（VOC）的提升。根據PLQY值計算，ΔQFLS增加了 34.04 meV，這與完整器件VOC的增加幅度相符。

Figure 4g. PLQY values of the perovskite films without or with MAA deposited on glass substrates.

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J-V曲線測量(電流-電壓曲線)

J-V曲線用于直接測量太陽能電池及模塊的光電轉換效率(PCE)、短路電流密度(Jsc)、開路電壓(Voc)和填充因子(FF)。

結果：

?小面積器件：經優化MAA處理的小面積鈣鈦礦太陽能電池（有效面積 0.09 cm2），實現了 25.52% PCE，具體參數為 Jsc 24.76 mA cm?2、Voc 1.203 V 和 FF 85.68%。相比之下，對照組器件的PCE為23.46%，主要因Voc和FF的顯著下降。此外，MAA器件的遲滯指數（H-index）為0.63%，顯著優于對照組的2.17%

?中型模塊：將制程擴展至 11.09 cm2 的模塊，MAA處理的模塊在反向掃描下實現了22.87%的PCE（穩定PCE為22.48%），其Voc為 5.952 V、Jsc 4.70 mA cm?2、FF 81.75%，并展現出良好的重現性。模塊的H-index為1.48%，對照組為 2.61% [S5]。

?大面積模塊：在更大面積（113.00 cm2）的模塊上，MAA處理的器件也實現了20.18%的PCE。

Figure 6b. J–V curves of the champion PSCs for the control and MAA

Figure 6c. I–V curves of champion PSMs without or with MAA modification (aperture area 11.09 cm2, 5 sub-cells)

Figure 6f. I–V curves of champion PSMs with MAA modification (aperture area 113.00 cm2, 14 sub-cells)

在太陽能電池的效率測量中，EnliTech的 SS-X AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器提供了穩定且精確的AM1.5G光源，其A+光譜等級確保了對新型太陽能電池（如鈣鈦礦/硅疊層電池）的精確表征。

外部量子效率(EQE)光譜

EQE光譜測量用于評估器件在不同波長光照下將入射光子轉換為電子（電流）的效率。它能驗證J-V測量所得的Jsc值，并提供器件在不同光譜范圍內的響應特性。

結果顯示，器件的EQE光譜積分Jsc值為 23.73 mA cm?2，與J-V測量結果一致。(Figure S24)

對于太陽能電池的量子效率分析，EnliTech的QE-R量子效率量測系統是全球1,000多篇SCI論文信賴的選擇。它提供EQE/IQE/IPCE/SR測試能力，具備300-2500 nm 的寬波長范圍和高于99.5%的重復性。

其他表征

薄膜形態與晶體結構分析 (SEM, AFM, XRD, GIWAXS)評估MAA對鈣鈦礦薄膜微觀結構的影響。MAA引入后晶粒尺寸從199 nm增至386 nm，薄膜粗糙度降低，(100)晶向優先取向增強，殘余拉伸應變顯著減輕。(Fig. 2a-i)

載流子動力學分析 (PL, TRPL, FLIM)評估缺陷鈍化效果與電荷傳輸特性。MAA處理后PL強度顯著增強，載流子壽命從366.9 ns延長至867.1 ns，FLIM顯示界面電子提取效率提升。(Fig. 4d-f)

能帶結構與表面電位 (UPS, KPFM)分析MAA對能級對準的調控作用。MAA處理使功函數上移、導帶底相應上移，薄膜呈現更強n型特征，KPFM顯示表面電位分布更加均勻，有利于電荷傳輸。(Fig. 4a-c)

結晶動力學實時監測(原位光學顯微鏡,原位PL)追蹤MAA對結晶過程的調控機制。MAA顯著延遲結晶速率，擴大制程窗口，退火過程中PL強度持續提升顯示薄膜質量改善。(Fig. 3a-h)

理論計算驗證(DFT)闡明MAA缺陷抑制的分子機制。計算結果顯示MAA吸附后空位缺陷形成能提高，有效抑制VPb、VI、VFA等缺陷形成。(Fig. 4h)

熱穩定性與抗氧化性(原位變溫XRD,質譜分析)評估MAA對材料穩定性的保護作用。MAA薄膜熱分解溫度從160°C提升至180°C，具備還原I2為I?的能力，有效抑制前驅體氧化。(Fig. 5a-i)

長期操作穩定性(光熱/濕熱測試)驗證包器件在實際應用環境下的耐久性。光熱條件下1120小時后保持94.5%效率，濕熱條件下550小時后保持95.6%效率。(Fig. 6g-h)

結論

研究團隊成功開發了巰基乙酰胺（MAA）雙功能添加劑策略，系統性解決了大面積鈣鈦礦太陽能模塊制造中的結晶控制與環境穩定性挑戰。

核心技術突破：

1.            結晶動力學優化：MAA延遲結晶速率并擴大制程窗口，晶粒尺寸從199 nm顯著增至386 nm，(100)晶向優先取向增強，殘余應變大幅減輕。

2.            高效缺陷鈍化：載流子壽命從366.9 ns延長至867.1 ns，PLQY從0.25%提升至0.94%，DFT計算證實MAA有效抑制空位缺陷形成。

3.            能帶調控與電荷傳輸：功函數從-4.85 eV調整至-4.64 eV，導帶底上移促進n型特征，表面電位分布更加均勻，界面電子提取效率提升。

4.            環境穩定性增強：熱分解溫度從160°C提升至180°C以上，MAA的還原特性有效抑制前驅體氧化，增強材料本質穩定性。

5.            器件性能：

• 小面積PSC達成25.52%高效率

• 11.09      cm2迷你模塊實現22.87% PCE（穩定效率22.48%）

• 113.00      cm2大面積模塊達到20.18% PCE

長期穩定性表現優異：光熱條件1120小時后保持94.5%效率，濕熱條件550小時后保持95.6%效率

文獻參考自Advanced Energy Materials_DOI: 10.1002/aenm.202502193

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