具有极低互联能量损耗的超均匀钙钛矿薄膜，用于高效钙钛矿/TopCon串联太阳能电池

《Joule》：Ultra-uniform perovskite film with minimized interconnection energy loss for efficient perovskite/TOPCon tandem solar cells

钙钛矿/硅叠层太阳能电池通过新型互联层（ICL）实现高效，采用3-Me-4PACz分子降低界面能级差，提升开路电压至2.015V（认证值），功率转换效率达32.32%，解决微粗糙TOPCon基底上钙钛矿薄膜均匀沉积难题。

　　在当前的太阳能技术领域，钙钛矿/硅叠层太阳能电池（TSCs）正迅速发展，成为实现更高能量转换效率的重要方向。特别是采用隧道氧化物钝化接触（TOPCon）结构的硅基太阳能电池，因其成本效益和广泛的市场应用，正逐渐成为工业生产中的主流选择。然而，尽管TOPCon硅基单结太阳能电池在性能上与异质结（HJT）硅基电池相当，但钙钛矿/TOPCon硅基叠层太阳能电池的最高效率仍相对较低，仅为约31%，远低于HJT硅基叠层电池所达到的水平。这一差距主要源于在随机纹理化的TOPCon硅/互连层（ICL）基底上实现均匀高质量钙钛矿薄膜的困难。由于基底表面粗糙度不均，范围从数百纳米到微米级别，这使得传统的单结钙钛矿沉积技术难以直接应用于叠层器件，从而导致额外的能量损失。

钙钛矿薄膜在纹理化基底上的沉积质量差，主要归因于在溶液涂覆过程中，钙钛矿前驱体溶液在基底表面的不均匀干燥。这种不均匀的干燥现象会导致“湿斑”的形成，即在基底表面出现覆盖不完全或不一致的区域。而硅/ICL基底本身较差的表面润湿性和不均匀的表面附着力则会进一步加剧这一问题，使得溶剂吸收速率不一致，影响钙钛矿薄膜的均匀成核和覆盖。因此，为了解决这一问题，关键在于改进ICL的表面特性，提升其润湿性、均匀性和与钙钛矿前驱体溶液的附着力。此外，这种表面改性还能对ICL的空穴选择性产生积极影响，通过改变界面能量势垒和表面偶极特性来优化器件性能。

基于上述挑战，本研究开发了一种新型的互连层材料，即一种不对称分子（4-(3-甲基-9H-咔唑-9-基)丁基)膦酸（3-Me-4PACz）。该分子具有较大的偶极矩，能够有效降低界面能量势垒，提升ICL的空穴选择性。通过引入这一分子，我们成功地在1.68 eV宽禁带钙钛矿太阳能电池（WBG-PSCs）中实现了高达1.30 V的开路电压（VOC）。更重要的是，这种新型的ICL在纹理化基底上表现出显著改善的润湿性、均匀性和附着力，从而有效消除了“湿斑”的形成，使得钙钛矿薄膜能够在纹理化ICL上实现高度均匀的生长。最终，我们实现了钙钛矿/TOPCon硅基叠层太阳能电池的记录认证功率转换效率（PCE）为32.32%，并且在实验室内测量中达到了33.12%的效率，同时实现了前所未有的VOC值为2.023 V（认证为2.015 V），这标志着钙钛矿/TOPCon硅基叠层太阳能电池在工业应用上的重大突破。

本研究不仅提升了钙钛矿/TOPCon硅基叠层太阳能电池的性能，还为实现高效、工业化的叠层光伏器件提供了一种广泛适用的策略。通过优化ICL的界面特性，我们成功地克服了纹理化基底对钙钛矿薄膜沉积的不利影响，使得叠层太阳能电池在保持高能量转换效率的同时，能够更稳定地运行。这一策略的成功实施，不仅有助于推动钙钛矿/TOPCon硅基叠层太阳能电池的技术进步，也为未来大规模生产和商业化应用奠定了坚实的基础。

此外，本研究还强调了界面形貌与电子性能之间的紧密联系。在叠层太阳能电池中，界面质量直接影响能量转换效率，因此，对界面特性的精确控制是实现高性能器件的关键。通过引入不对称分子3-Me-4PACz，我们不仅改善了ICL的物理特性，还对其电子性能进行了优化，使得钙钛矿层与硅基底之间的能量损失显著降低。这种综合性的界面优化方法，为未来进一步提升叠层太阳能电池的性能提供了新的思路和方向。

在实验过程中，我们采用了一系列先进的表征手段，包括X射线光电子能谱（XPS）、原子力显微镜（AFM）、接触角测量等，以评估ICL表面的润湿性、均匀性和附着力。这些实验结果表明，3-Me-4PACz分子能够显著改善ICL的表面特性，使其在纹理化基底上表现出更优的性能。同时，通过对比不同分子对ICL表面性能的影响，我们进一步验证了3-Me-4PACz在提升钙钛矿薄膜均匀性方面的独特优势。这种分子设计策略为未来开发新型界面材料提供了理论支持和实验依据。

在实际应用方面，本研究所开发的新型ICL不仅适用于实验室条件下的高效率钙钛矿/TOPCon硅基叠层太阳能电池，还具有良好的工业推广前景。通过优化ICL的表面特性，我们能够有效解决钙钛矿薄膜在纹理化基底上沉积不均的问题，使得叠层太阳能电池在保持高能量转换效率的同时，能够实现更稳定的性能表现。这种策略的成功实施，为推动钙钛矿/TOPCon硅基叠层太阳能电池的商业化应用提供了关键的技术支持。

为了进一步验证这一策略的可行性，我们还进行了不同规模的器件测试，包括1 cm2的钙钛矿/TOPCon硅基叠层太阳能电池。实验结果表明，无论是在小面积还是大面积的器件中，该新型ICL都能有效提升钙钛矿薄膜的均匀性和性能，使得叠层太阳能电池的效率显著提高。此外，我们还对不同环境条件下的器件性能进行了测试，包括光照强度、温度变化等，以评估其在实际应用中的稳定性。实验结果表明，该新型ICL在各种环境条件下均表现出良好的性能，为未来大规模生产和应用提供了可靠的基础。

本研究还探讨了该新型ICL在不同应用场景下的适应性。通过对比不同类型的钙钛矿/硅基叠层太阳能电池，我们发现该策略不仅适用于TOPCon硅基器件，还能够扩展到其他类型的硅基器件，如PERC、BSF等。这种广泛的适用性表明，该策略具有重要的推广价值，能够为多种类型的叠层太阳能电池提供性能提升的解决方案。此外，我们还对不同类型的钙钛矿材料进行了测试，发现该新型ICL对多种钙钛矿材料均表现出良好的兼容性，这进一步验证了其在实际应用中的广泛适用性。

在材料合成方面，我们采用了一种高效的合成方法，能够快速制备出高质量的3-Me-4PACz分子。该分子的合成路线以及结构表征结果已被详细记录，并通过实验验证了其在提升ICL性能方面的有效性。这种高效的合成方法不仅有助于降低生产成本，还能够提高材料的可得性，为未来大规模生产和应用提供了技术支持。

在实际应用中，该新型ICL的引入不仅提升了钙钛矿/TOPCon硅基叠层太阳能电池的性能，还对整个光伏产业链产生了积极影响。通过优化ICL的界面特性，我们能够有效提升钙钛矿薄膜的均匀性和性能，使得叠层太阳能电池在保持高能量转换效率的同时，能够实现更稳定的性能表现。这种策略的成功实施，为推动钙钛矿/TOPCon硅基叠层太阳能电池的商业化应用提供了关键的技术支持。

此外，本研究还强调了钙钛矿材料在光伏领域的潜力。钙钛矿材料因其优异的光电性能和较低的制造成本，被认为是下一代太阳能电池的重要候选材料。然而，钙钛矿材料在实际应用中仍面临诸多挑战，如稳定性、可重复性等。通过引入新型的ICL材料，我们不仅提升了钙钛矿薄膜的均匀性和性能，还为其在实际应用中的稳定性提供了保障。这种综合性的解决方案，为未来钙钛矿太阳能电池的商业化应用提供了新的思路和方向。

在实验过程中，我们还对不同类型的钙钛矿材料进行了测试，发现该新型ICL对多种钙钛矿材料均表现出良好的兼容性。这种兼容性不仅限于特定的钙钛矿材料，还能够适用于不同结构的钙钛矿太阳能电池，如平面结构、背接触结构等。这进一步验证了该策略的广泛适用性，为未来不同类型的钙钛矿/硅基叠层太阳能电池的开发提供了技术支持。

为了进一步验证该策略的有效性，我们还对不同类型的钙钛矿/硅基叠层太阳能电池进行了对比测试。实验结果表明，该新型ICL能够显著提升钙钛矿/TOPCon硅基叠层太阳能电池的性能，使其在保持高能量转换效率的同时，能够实现更稳定的性能表现。这种性能提升不仅体现在效率数值上，还体现在器件的稳定性和可靠性上，为未来钙钛矿/硅基叠层太阳能电池的商业化应用提供了坚实的保障。

综上所述，本研究通过引入一种新型的不对称分子3-Me-4PACz，成功地优化了钙钛矿/TOPCon硅基叠层太阳能电池的互连层性能，从而实现了更高的功率转换效率和开路电压。这一策略不仅解决了钙钛矿薄膜在纹理化基底上沉积不均的问题，还为未来钙钛矿/硅基叠层太阳能电池的商业化应用提供了重要的技术支持。通过这一研究，我们为推动太阳能电池技术的进一步发展，实现更高效率、更稳定、更经济的光伏器件，提供了新的思路和方向。