强！隆基绿能，又双叒叕发Nature！

米测MeLab

2025-07-09

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

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研究背景

钙钛矿/硅串联太阳能电池（TSC）因优异光电特性成研究重点，其效率能够超单连接电池且还在持续增长，这对降低光伏电力成本意义重大。

关键问题

然而，钙钛矿/硅串联太阳能电池的应用主要存在以下问题：

1、提高TSC效率的努力主要集中于宽带隙钙钛矿太阳能电池

鉴于硅电池技术的高成熟度，提高TSC效率的努力主要集中于宽带隙（WBG）钙钛矿太阳能电池（PSC）。在WBG PSC中，开路电压（V_OC）损耗随带隙增加而急剧上升，主要是由于陷阱辅助的非辐射重组。

2、开发新型SAMS对于实现高效钙钛矿/硅TSC至关重要

常用的SAM材料在透明导电氧化物（TCO）上的吸附行为受化学结构影响，导致钙钛矿层沉积不理想，影响电池性能。开发可以在TCO上形成全面覆盖并达到有利能量水平的新型SAMS对于实现高效钙钛矿/硅TSC至关重要。

新思路

有鉴于此，隆基绿能中央研究院何博、徐希翔、李振国、刘江、何永才等人设计了一种非对称的SAM (命名为HTL201)，其具有锚定基团和间隔基，作为钙钛矿/硅TSCs的空穴选择层(HSL)。与具有氮键膦酸基团的对称SAMs相比，HTL201分子在透明导电氧化物(TCO)复合层上表现出最小的空间位阻和更好的覆盖度。HTL201与钙钛矿薄膜之间的强配位相互作用有效地减少了埋界面处的非辐射复合。值得注意的是，钙钛矿和HTL201之间优化的能级排列，伴随着钙钛矿层准费米能级分裂( QFLS )值的增加，使得钙钛矿/硅TSCs的电压高达近2V，基于硅异质结( SHJ )太阳能电池的认证能量转换效率(PCE)高达34.58 %。

技术方案：

1、开发了一种基于不对称甲壳唑的自组装单层

作者开发了不对称SAM（HTL201）用于钙钛矿/硅TSC。HTL201与IZO底物相互作用强，覆盖率高，与钙钛矿层结合紧密，有效钝化缺陷，提升电池性能。

2、通过光伏性能证明了不对称分子设计的有效性

作者采用硅异质结太阳能电池作为底电池，构建单片钙钛矿/硅叠层太阳能电池。HTL201作为SAM表现出优异性能，其衍生物也表现良好，证明了不对称分子设计的有效性。

3、系统研究了不同SAM对钙钛矿/硅叠层太阳能电池性能的影响

研究发现HTL201涂层的IZO底物具有优异的润湿性、均匀性和结晶度，显著降低了钙钛矿膜的陷阱密度和界面非辐射重组，提升了器件的V_OC和FF。

4、测试了钙钛矿/硅TSC的稳定性

研究发现，基于HTL201的钙钛矿/硅叠层太阳能电池在存储和光照条件下表现出显著的稳定性，1080小时后效率保持98.9%。HTL201的高电化学稳定性和分子稳定性使其在抑制非辐射重组和泄漏电流方面更具优势。

技术优势：

1、开发了具有独特分子结构的非对称自组装单层

研究开发了名为HTL201的非对称自组装单层，其独特的分子结构（含锚定基团和间隔基）在透明导电氧化物（TCO）上实现更好的覆盖，减少了空间位阻，增强了与TCO的相互作用。

2、实现了认证效率高达34.58%的钙钛矿/硅TSC

HTL201与钙钛矿层之间优化的能级对齐和强配位相互作用，有效减少了界面非辐射复合，提升了准费米能级分裂（QFLS），使钙钛矿/硅TSC的开路电压接近2V，认证效率高达34.58%。

技术细节

分子结构设计

本研究开发了一种基于不对称甲壳唑的自组装单层（SAM）HTL201，用于钙钛矿/硅串联太阳能电池（TSC）。与对称SAM（如ME-4PACZ和MEO-4PACZ）相比，HTL201具有锚定磷酸基团和间隔基团，表现出更好的热稳定性（热分解温度高于200℃）和电化学性能。通过XPS和分子动力学模拟，发现HTL201与IZO底物具有更强的相互作用和更高的表面覆盖率。HTL201与钙钛矿层之间的强配位相互作用和优化的能级对齐，有效减少了界面非辐射复合，增强了钙钛矿层的准费米能级分裂，从而显著提高了电池的开路电压和能量转换效率。

图  不同SAMs在IZO上的覆盖度以及SAMs与钙钛矿之间的相互作用

光伏性能

作者采用硅异质结太阳能电池作为底电池，构建了单片钙钛矿/硅叠层太阳能电池。顶部钙钛矿电池基于IZO/SAM/钙钛矿/LiF/EDA I/C₆₀/SnO₂/IZO/Ag/MgF₂结构，使用不同SAMs制备。其中，HTL201表现出优异性能，基于HTL201的器件平均效率为34.22%，冠军器件效率高达34.60%，开路电压2.001 V，短路电流密度20.64 mA/cm²，填充因子83.79%。相比之下，ME-4PACZ和MEO-4PACZ的平均效率分别为32.18%和33.34%。HTL201器件的外部量子效率（EQE）表明，钙钛矿顶部子电池和硅底部子电池的光生电流密度分别为21.50 mA/cm²和20.70 mA/cm²。基于HTL201的器件经欧洲太阳能测试装置（ESTI）认证，效率达34.58%，为当前钙钛矿/硅叠层太阳能电池的最高效率。此外，HTL201的衍生物HTL203和HTL207也表现出较高效率，证明了不对称分子设计的有效性。

图  基于不同HSL的串联太阳能电池的设备性能

形态和结晶度

本研究通过接触角测量、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）、光致发光（PL）等手段，系统研究了不同自组装单层（SAM）对钙钛矿/硅叠层太阳能电池性能的影响。结果显示，HTL201涂层的IZO底物具有最佳的润湿性、均匀性和结晶度，促进了钙钛矿膜的高质量生长。HTL201与钙钛矿膜之间的强相互作用降低了陷阱密度，减少了界面非辐射重组。基于HTL201的器件表现出更高的光致发光量子产率（PLQY）、准费米能级分裂（QFLS）和填充因子（FF），并显著提高了开路电压（VOC）。这些结果表明，HTL201通过优化界面特性和电荷传输，显著提升了钙钛矿/硅叠层太阳能电池的性能。

图  不同SAM对电荷载体动力学的影响

TSC的稳定性

作者对基于HTL201、ME-4PACZ和MEO-4PACZ的钙钛矿/硅叠层太阳能电池（TSC）进行了稳定性测试。结果显示，基于HTL201的TSC在未封装情况下存储1080小时后，仍保持初始效率的98.9%，表现出显著的存储稳定性，而基于ME-4PACZ和MEO-4PACZ的TSC分别仅保留了初始效率的84.8%和94.6%。在封装后进行的最大功率点（MPP）跟踪测试中，基于HTL201的设备在25℃和45℃条件下运行1020小时后，分别保持了初始效率的98.0%和95.0%；相比之下，基于MEO-4PACZ的设备效率下降更为明显，而基于ME-4PACZ的设备在500小时后效率显著降低。此外，循环伏安法（CV）测量表明，HTL201具有更高的电化学稳定性，其氧化还原峰值电流密度在多次扫描后变化较小，而ME-4PACZ和MEO-4PACZ则表现出明显的电流密度降低和化学物种氧化。核磁共振（NMR）光谱测试显示，三种SAM分子在连续光照24小时后均表现出良好的光稳定性，但HTL201的整体稳定性更为突出。这些结果表明，HTL201在埋底界面处能有效抑制非辐射重组和泄漏电流，从而显著提升了TSC在光照条件下的操作稳定性。

图  TSC的长期稳定性

展望

总之，本研究开发的HTL201作为一种非对称SAM，因其优异的覆盖度、强配位作用及优化的能级排列，显著提升了钙钛矿/硅TSC的性能，实现了近2V的电压和34.58%的认证效率，展现出巨大应用潜力。

参考文献：

Jia, L., Xia, S., Li, J. et al. Efficient perovskite/silicon tandem with asymmetric self-assembly molecule. Nature (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09333-z