侯毅，Nature Energy ！

米测MeLab

2026-03-18

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。

编辑丨风云

研究背景

晶体硅（c-Si）太阳能电池目前占据全球光伏市场 97% 以上的份额，其中 TOPCon 技术已成为主流工业标准。为了突破单结硅电池的效率极限，将钙钛矿与硅结合形成叠层电池是公认的有效途径。

关键问题

目前，工业硅上制备钙钛矿薄膜主要存在以下问题：

1、工业硅片超快散热诱发结晶缺陷

相比标准玻璃衬底，厚度仅为130 μm的工业硅片具有极高的热导率和低热质量，导致钙钛矿在退火过程中散热极快，这种受控外的快速结晶会产生大量孔洞和非辐射复合缺陷，恶化薄膜质量。

2、缺乏针对有机阳离子的调控手段

现有的结晶调节策略多集中于通过配位无机铅离子的“无机控制”，而在以 FA⁺为主导阳离子的宽带隙钙钛矿体系中，缺乏有效的“有机控制”手段来应对硅衬底上特有的超快结晶动力学问题。

新思路

有鉴于此，新加坡国立大学侯毅和晶科能源有限公司张昕宇等人引入了 2-巯基苯并噻唑（MBT），它具有与钙钛矿有机阳离子双模式结合的能力，用于调节结晶动力学。该方法改善了形态均匀性，消除了孔洞并抑制了卤化物偏析，同时减少了非辐射复合，将陷阱辅助复合率从 3.2×10⁵降低至 4.3×10⁴ cm s^-1。双端单体钙钛矿/TOPCon 叠层电池实现了32.76%的认证稳态功率转换效率，并在连续运行1,700小时后仍保持91%的初始效率。这项工作揭示了此前被忽视的工业硅片上钙钛矿结晶问题，为将钙钛矿太阳能电池集成到主流硅技术中提供了关键见解。

技术方案：

1、探究了热传导特性及其对钙钛矿结晶的影响

 热传导仿真显示，130 μm硅片热导率是ITO玻璃的151倍，10秒可达100°C，使钙钛矿结晶动力学加速3倍。但超快热传导导致薄膜顶层过早固化，内部溶剂逸出受阻形成孔洞，解释了玻璃配方直接用于叠层电池效果不佳的原因。

2、利用双模式结合配体调节了FA⁺结晶动力学

 研究引入MBT作为有机阳离子配体，通过杂环N和硫醇基与FA⁺双模式结合，稳定中间相并延缓相转变，使溶剂充分逸出，实现了均匀结晶。

3、表征了降低薄膜非辐射复合损失

 MBT优化后薄膜消除埋底孔洞，发光均匀且峰值稳定在735 nm，载流子寿命提升三倍，陷阱复合率降至4.3×10⁴ cm s^-1，隐性开路电压超1.29 V。

4、展示了钙钛矿/TOPCon 叠层电池的性能

 基于优化薄膜制备的0.925 cm²钙钛矿/TOPCon叠层电池，填充因子达83.78%，开路电压1.95 V，获第三方认证效率32.54%，稳态效率32.76%；在25°C、85%湿度下运行1700小时后保持91%初始效率，为工业化生产奠定基础。

技术优势：

1、揭示了衬底热导率对结晶的决定性影响

首次系统对比并量化了工业薄硅片与标准玻璃衬底在热传导特性上的巨大差异，阐明了硅片超快结晶导致薄膜底部形成孔洞的物理机理。

2、提出了有机阳离子双模式配位策略

本文开发了MBT配体，通过其杂环N原子和硫醇基与FA⁺阳离子形成氢键和静电的双模式结合，成功延缓了中间相转变，实现了在工业硅片上制备无孔洞、低缺陷的高质量钙钛矿薄膜。

技术细节

热传导特性及其对钙钛矿结晶的影响

研究团队首先通过热传导仿真对比了1.1 mm厚的ITO玻璃和130 μm厚的工业级单晶硅片。结果显示，硅片的热导率是玻璃的151倍，且由于其热质量较小，加热时表面温度升高的速度远超玻璃。具体而言，硅片在10秒内即可达到 100 °C 的目标温度，而玻璃则需要超过40秒。利用原位荧光光谱（PL）追踪发现，硅衬底上的结晶动力学过程被加速了3倍。通过横截面扫描电子显微镜（SEM）观察，在玻璃上形成的钙钛矿薄膜致密且均匀，而在硅片上形成的薄膜在埋底界面处存在明显的孔洞。这种现象是因为超快的热传导使薄膜顶层过早固化，导致内部残余溶剂（如 DMSO）在逸出时被封堵在底部，从而形成孔洞和缺陷。这一发现解释了为什么直接沿用玻璃衬底上的配方在叠层电池中往往效果不佳。

图  玻璃和c-Si衬底上钙钛矿薄膜的热性能、晶化动力学及形貌比较

利用双模式结合配体调节FA⁺结晶动力学

针对超快结晶问题，研究引入了 2-巯基苯并噻唑（MBT）作为调节剂。与以往专注于配位无机铅离子的策略不同，MBT 是一种专门针对有机阳离子（特别是占 80 mol% 的 FA⁺）的配体。实验证实，MBT 中的杂环 N 原子和硫醇基（-SH）能够通过氢键和静电作用与 FA⁺形成“双模式结合”。核磁共振（NMR）和密度泛函理论（DFT）计算显示，MBT 与 FA⁺ 的结合能显著高于其与铅离子的相互作用。这种强效的“有机控制”稳定了钙钛矿的中间相，延缓了向钙钛矿相的转变。原位 GIWAXS 测试表明，添加 MBT 的目标样品在退火过程中中间相的保留时间明显延长，使得溶剂能够更充分地逸出，从而实现受控且均匀的晶体生长过程。这种策略填补了以往“无机控制”在应对高导热衬底时的不足。

图  通过配体与FA的相互作用对有机控制的机理洞察及其对结晶动力学的影响

降低薄膜非辐射复合损失的表征研究

由于结晶过程得到了优化，添加 MBT 后的钙钛矿薄膜在形貌和光电性能上均有显著提升。SEM 图像确认目标薄膜消除了埋底界面的孔洞，且表面粗糙度降低。共聚焦 PL 和超光谱成像显示，目标薄膜的发光强度更高且分布更加均匀，峰值位置稳定在 735 nm 左右，避免了对照组中因组分不均导致的红移现象。时间分辨荧光光谱（TRPL）分析显示，目标样品的载流子寿命是从对照组的三倍，陷阱辅助复合率从 3.2×10⁵ 降低至 4.3×10⁴ cm s^-1，达到了目前文献报道的最低水平之一。此外，光致发光量子效率（PLQY）测定表明，完整器件栈的隐性开路电压（iVoc）超过 1.29 V，相比对照组提升了60 mV。这些结果共同证明，通过 MBT 的调节，成功在工业级硅片上制备出了具有极低非辐射复合损失的高质量宽带隙钙钛矿薄膜。

图  用于控制和目标样品的钙钛矿薄膜的形貌、光学和光电特性

钙钛矿/TOPCon 叠层电池的性能与稳定性

在优化的薄膜基础上，研究团队制备了面积为 0.925 cm²的双端单体钙钛矿/TOPCon 叠层电池。得益于电荷传输的改善和薄膜缺陷的抑制，目标器件的填充因子（FF）达到 83.78%，开路电压（Voc）显著提升至 1.95 V。该电池在第三方机构（NPVM）获得了 32.54% 的认证功率转换效率，且稳态 MPPT 效率达到 32.76%。这是目前报道的钙钛矿/TOPCon 叠层电池中最高的效率之一。此外，器件表现出卓越的长期稳定性，根据 ISOS-L-1 协议，在环境空气（25 °C，85% 湿度）中连续运行 1,700 小时后，目标器件仍能保持其初始效率的 91%，显著优于对照组。这一成果不仅展示了 MBT 策略在提升效率方面的显著作用，更验证了其在复杂工业环境下的耐用性，为未来将钙钛矿叠层技术引入大规模硅基电池生产线奠定了坚实基础。

图  钙钛矿/硅叠层太阳电池的结构、性能和稳定性评价

展望

本研究深刻揭示了工业薄硅片高热导率导致的钙钛矿快速结晶瓶颈，并创新性地提出了基于 MBT 的有机阳离子调控策略。通过MBT与FA⁺的双模式结合，成功平衡了高导热衬底带来的超快结晶动力学，消除了薄膜孔洞并大幅降低了陷阱态密度。该工作不仅实现了 32.76% 的认证效率突破，还证明了器件的长效运行稳定性，为高性能钙钛矿/硅叠层电池步入主流硅光伏技术领域提供了极具商业前景的路径指导。

参考文献：

Zhou, Q., Guo, R., Liu, S. et al. Additive-assisted perovskite crystallization on industrial TOPCon silicon for tandem solar cells with improved efficiency. Nat Energy (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41560-026-02010-z