摘要：大家好，我是钙钛矿学习与交流老杨，今天带来的是 德国弗赖堡大学 Oussama Er-raji/ Stefan W. Glunz&沙特阿拉伯图瓦尔阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf & 团队 通过采用兼容工业级绒面硅（金字塔高度>1μm）的混合

大家好，我是钙钛矿学习与交流老杨，今天带来的是 德国弗赖堡大学 Oussama Er-raji/ Stefan W. Glunz& 沙特阿拉伯图瓦尔阿卜杜拉国王科技大学 Stefaan De Wolf & 团队 通过采用兼容工业级绒面硅（金字塔高度>1μm）的混合两步钙钛矿沉积法，结合 1,3-丙二胺二氢碘化物（PDAI） 表面处理；实现1-sun AM1.5G 条件下 33.1% 的转换效率（开路电压 2.01V），且在红海沿岸户外环境中展现出 1000 小时的稳定电流输出，同时解决了绒面硅基器件的钝化难题与工业化兼容问题。

钙钛矿/硅叠层太阳能电池核心目标： 解决三大关键问题 —降低电荷载流子传输损耗、提升界面选择性、减少非辐射复合。

技术挑战： 1、主流工业硅采用金字塔高度>1μm 的随机织构，钙钛矿顶电池厚度远小于织构尺寸，导致界面钝化困难，2、绒面 硅基叠层电池与记录级器件（非绒面）的开路电压（Voc）差距 >100mV，3、 溶液法钙钛矿需定制硅底电池（额外抛光 / 金字塔尺寸适配），与工业化产线不兼容

核心策略： 沉积方法+PDAI 表面处理

1、钙钛矿沉积方法： 混合两步法（蒸发+旋涂）优势：可在工业级绒面硅表面形成 conformal 钙钛矿薄膜（成分：Cs₀.₁₃FA₀.₈₇Pb (I₀.₇₄Br₀.₂₆)₃），无需改造硅产线。

2、PDAI 表面处理： 通过旋涂/浸涂（可规模化）引入钙钛矿/C₆₀界面，与钙钛矿表面有机成分选择性作用。

作用机制

1、电荷载流子管理 核心参数调控：区分 “化学钝化损耗”与 “选择性损耗”，聚焦功函数工程而非仅化学钝化。 关键变化： 导带偏移： 提升ETL界面电子/空穴浓度比 ；电子浓度：导电性提升 ； Voc 提升。

2、 分子-表面相互作用 PDAI 处理无低维钙钛矿相形成，不改变钙钛矿形貌；偶极形成：PDAI 与有机富钙钛矿表面作用形成正偶极，减少导带偏移；表面选择性：PDAI 与 PbI₂终止表面作用能（-1.98eV）低于MAI 终止表面（0.81eV），但因混合两步法形成有机富表面，最终诱导正偶极。

3、表面钝化与导电性提升 表面均匀性；界面复合抑制；传输损耗降低。

性能指标

参考器件

目标器件

冠军器件

Voc

1.83-1.84V

1.92-1.94V

2.01V

FF

79.4%

81.6%

-

PCE

29.1%

32.3%

33.1%

串联电阻

6Ω·cm²

3Ω·cm²

-

认证效率

-

31.6%

-

稳定性： 户外（红海沿岸）1000 小时测试与湿热（85℃/85% RH）1000 小时测试显示，目标器件性能降解远慢于参考器件，验证工业化应用的环境适应性。

一、硅异质结底电池制备

步骤 1：基底预处理

p型浮区硅片，厚度 250 μm、基底电阻率 1 Ω・cm；采用 KOH 水溶液进行工业级双面随机金字塔织构刻蚀，金字塔尺寸分布 1~4 μm（双面）；刻蚀后通过 O₃基湿法化学清洗去除表面污染物。

步骤 2：非晶硅钝化层沉积

使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）集群工具沉积，功率 13.56 MHz、温度 200 ℃，通入 SiH₄、H₂、PH₃、三甲基硼混合气体，沉积前后表面的 n 型 / 本征 a-Si:H、p 型 / 本征 a-Si:H，厚度均为～27 nm（该厚度为 planar Si 上的工艺控制厚度，绒面Si 因表面积增加，实际厚度会降低）。

步骤 3：复合层与电极制备

正面 ITO复合层采用直流（DC）溅射制备，成分 In₂O₃/SnO₂=97/3 wt%、厚度～20 nm（通过 1 cm² 阴影掩模沉积）、气体为氧气 + 氩气混合氛围；背面接触层先全区域沉积 195 nm ITO，再蒸发沉积 1000 nm Ag；激光切割基底，KAUST 切割为 2.2×2.2 cm²（中间 1×1 cm² ITO pad 定义活性区），Fraunhofer ISE 切割为 2.5×2.5 cm²（活性区定义同前者）。

二、钙钛矿顶电池制备

步骤 1：硅底电池预处理

采用动态旋涂法进行乙醇清洗，参数为 200 μL 乙醇、2500 rpm、持续 30 s，去除激光切割残留硅颗粒；随后进行紫外 / 臭氧（UV/O₃）处理，持续 900 s。

步骤 2：Me-4PACz 沉积

配制Me-4PACz乙醇溶液，浓度 1 mg/mL；采用静态旋涂法沉积，参数为 100 μL 溶液、2 s 静置后 800 rpm（5 s）再 5000 rpm（20 s）；旋涂后 100 ℃退火持续 10 min，再用乙醇按相同旋涂参数清洗，去除未共价结合的 Me-4PACz 分子。

步骤 3：钙钛矿吸收层（Cs₀.₁₃FA₀.₈₇Pb (I₀.₇₄Br₀.₂₆)₃）制备（混合蒸发 - 旋涂法）

第一步无机支架（PbI₂/CsX）蒸发： 目标厚度～550 nm，Fraunhofer ISE：以 CsI+PbI₂为共蒸发前驱体，参数为 CsI 蒸发温度～390 ℃、速率 0.1 Å/s，PbI₂蒸发温度～290 ℃、速率 1 Å/s；KAUST：以 CsBr（Abcr）+PbI₂为共蒸发前驱体，参数为 CsBr 蒸发温度～460 ℃、速率 0.1 Å/s，PbI₂蒸发温度～380 ℃、速率 1 Å/s。

第二步有机盐旋涂（FAI/FABr）： 配制含 3~4 mg/mL 尿素（结晶剂）的 FAI/FABr 乙醇混合溶液，采用动态旋涂法沉积，参数为 150 μL 溶液、2200 rpm、持续 30 s；控制 FAI/FABr 体积比，1.67 eV 带隙时 Fraunhofer ISE 为 72/28 vol%、KAUST 为 60/40 vol%，1.70 eV 带隙（冠军器件）时 KAUST 调整为 65/35 vol%；旋涂后在空气氛围（相对湿度 30~50%）中 100 ℃退火持续 10 min。

步骤 4：PDAI 表面处理

配制PDAI溶液，溶剂为 50/50 vol% 氯苯 - 异丙醇混合液，Fraunhofer ISE 最优浓度 0.40 mg/mL，KAUST 最优浓度 0.75 mg/mL；实验室采用旋涂法沉积，参数为 4000 rpm、持续 25 s，规模化采用浸涂法，参数为样品浸于溶液 2 s（处理时间～37 s / 样品）；沉积后 100 ℃退火持续 3 min（最优退火条件为 100 ℃、1~5 min，VOC 最高达 1968 mV）。

步骤 5：电子传输层（ETL）与缓冲层沉积

C₆₀层采用真空蒸发制备，参数为厚度 18 nm、蒸发速率 0.1 Å/s、基底真空度

SnOₓ缓冲层采用原子层沉积（ALD）制备，Fraunhofer ISE ，厚度 30 nm，KAUST，厚度 15 nm，两者 ALD 过程中基底温度均维持 80 ℃。

顶透明导电氧化物（TCO）：Fraunhofer ISE 沉积 20 nm ITO（通过阴影掩模），KAUST 沉积 55 nm IZO（铟锌氧化物）。

顶电极与抗反射层：真空蒸发沉积 650 nm Ag 顶电极，参数为速率～3 Å/s（阴影掩模定义图形）；热蒸发沉积 140 nm MgFₓ抗反射层，参数为速率～2 Å/s。

三、器件封装

步骤 1：封装前准备

采用 PV ribbon（光伏焊带）和银浆连接器件与外部电路，建立电连接。

步骤 2：封装堆叠与密封

构建封装堆叠结构（从下到上）：70×70 mm、3.2 mm 厚太阳能玻璃→第一层热塑性聚氨酯（TPU）封装剂→钙钛矿 / 硅叠层电池（活性区朝上）→第二层 TPU 封装剂→70×70 mm、3.2 mm 厚太阳能玻璃；用干燥聚异丁烯（PIB）密封剂环绕两层玻璃边缘，防止水汽侵入。

步骤 3：层压固化

使用工业级真空层压机进行层压，参数为温度 120 ℃、持续 20 min，确保各层紧密结合。

论文信息

在整个钙钛矿层中形成电子积累，可提升基于织构硅的叠层太阳能电池性能

Electron accumulation across the perovskite layer enhances tandem solar cells with textured silicon

期刊： 《 science 》

时间： 2025年9月4日

作者： Oussama Er-raji1,2,3*, Christoph Messmer1,2, Rakesh R. Pradhan4, Oliver Fischer1,2, Vladyslav Hnapovskyi4, Sofiia Kosar4, Marco Marengo4, Mathias List5, Jared Faisst1,6, José P. Jurado4, Oleksandr Matiash4, Hannu P. Pasanen4, Adi Prasetio4, Badri Vishal4, Shynggys Zhumagali4, Anil R. Pininti4, Yashika Gupta1,2,3, Clemens Baretzky1, Esma Ugur4†, Christopher E. Petoukhoff4, Martin Bivour1, Erkan Aydin4†, Randi Azmi4‡, Jonas Schön1,2, Florian Schindler1, Martin C. Schubert1, Udo Schwingenschlögl4, Frédéric Laquai4§, Ahmed A. Said4, Juliane Borchert1,2,3, Patricia S. C. Schulze1, Stefaan De Wolf4*, Stefan W. Glunz1,2,3*

来源：寂寞的咖啡