在光伏領(lǐng)域p-i-n 結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因高效率、低溫制備及優(yōu)異電荷傳輸特性，在大面積組件應(yīng)用中潛力顯著，基于自組裝單分子層（SAM）的空穴傳輸層（HTL）可提升載流子傳輸效率，使 p-i-n 型 PSCs 功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）超 26.95 %。但當(dāng)前 SAM 基 HTL 存在界面附著力弱、薄膜均勻性差、穩(wěn)定性有限的問題，傳統(tǒng)分段工藝及現(xiàn)有改進(jìn)方法難以滿足規(guī)模化需求。大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測試儀通過無接觸式測試，監(jiān)測各個(gè)工藝段中的異常，了解單節(jié)疊層鈣鈦礦電池的缺陷分布信息。

本研究提出原位 SAM 配位 NiO?的集成 HTL 策略，在 NiO?合成時(shí)錨定 SAM，提升分子有序性等性能，小面積 PSCs（0.0655 cm2）PCE 達(dá)26.02%，大面積（749.276 cm2）組件效率（19.50%）優(yōu)異，封裝組件還通過 IEC 61215-2-2021 關(guān)鍵測試。

NiO?納米顆粒的表面羥基化

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氧化鎳（NiO?）納米顆粒的表面羥基化預(yù)處理

SAM 與 NiO?的強(qiáng)鍵合依賴于 NiO?表面的 - OH 活性位點(diǎn)。本研究通過Na?O?預(yù)處理實(shí)現(xiàn) NiO?的表面羥基化，具體過程如下：

①先采用化學(xué)沉淀法合成對照 NiO?（C-NiO?）：將硝酸鎳溶液調(diào)至 pH=10 后沉淀、清洗、煅燒，得到平均粒徑約 9nm 的團(tuán)聚納米顆粒；

②向 C-NiO?水分散液中添加 3mol% Na?O?，室溫?cái)嚢?20 分鐘后離心干燥，得到富羥基 NiO?（H-NiO?）。

表征結(jié)果顯示，H-NiO?展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢：

①分散性提升：TEM 圖像顯示，H-NiO?團(tuán)聚現(xiàn)象被抑制，平均粒徑從9nm 降至 6nm，粒徑分布更窄；

②表面活性增強(qiáng)：FTIR 與 XPS 測試證實(shí)，Na?O?處理使 NiO?表面的 - OH 含量顯著提升（-OH/NO??峰面積比增大），且 Ni3?/Ni2?比例從 2.08 升至 2.55——Ni3?的增加可誘導(dǎo)更多空穴，提升 HTL 導(dǎo)電性；

③表面粗糙度降低：原子力顯微鏡（AFM）測試顯示，H-NiO?薄膜的均方根（RMS）粗糙度從 15.50nm 降至 8.06nm，為后續(xù) SAM 的均勻錨定奠定基礎(chǔ)。

DFT 計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)證：-OH 在 NiO?表面的吸附能（-6.78 eV）遠(yuǎn)低于 NO??（-4.60 eV），證明 - OH 可優(yōu)先取代 NiO?表面的 NO??，形成穩(wěn)定的富羥基表面。

原位SAM配位構(gòu)建集成式HTL

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分段式空穴傳輸層（HTL）與集成式空穴傳輸層（HTL）的對比

為實(shí)現(xiàn) SAM 與 NiO?的強(qiáng)鍵合，本研究采用熱注入法將 2PACz（SAM 分子）原位錨定在 H-NiO?表面，構(gòu)建集成式 2PACz-NiO? HTL，具體步驟為：

①將 H-NiO?重新分散于異丙醇（IPA）中，加熱至 65℃；

②滴加 2PACz 溶液并攪拌 5 小時(shí)，利用熱注入產(chǎn)生的能量促進(jìn) 2PACz 與 H-NiO?表面- OH 的化學(xué)反應(yīng)；

③離心清洗去除未錨定的 2PACz 分子，最終得到可一步成膜的集成式 2PACz-NiO?分散液。

與傳統(tǒng)分段式 HTL（先制 NiO?再涂 SAM）相比，集成式 HTL 的優(yōu)勢體現(xiàn)在三方面：

①分子排列更均勻：開爾文探針力顯微鏡（KPFM）與 EDS mapping 顯示，集成式 HTL 中 2PACz 完全覆蓋 H-NiO?表面，而分段式 HTL 存在明顯覆蓋空缺；

②導(dǎo)電性更高：暗態(tài) J-V 測試顯示，集成式 2PACz-NiO?的導(dǎo)電性顯著優(yōu)于 H-NiO?與分段式 HTL，這源于分子的有序排列減少了電荷傳輸阻力；

③能級(jí)匹配更優(yōu)：紫外光電子能譜（UPS）測試顯示，集成式 HTL 的價(jià)帶頂（VBM）降至- 5.45 eV，與鈣鈦礦層的能級(jí)匹配度更高，可更高效提取空穴。

鈣鈦礦膜的結(jié)晶質(zhì)量優(yōu)化

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不同空穴傳輸層（HTL）上的鈣鈦礦生長情況

HTL 的均勻性直接影響鈣鈦礦膜的結(jié)晶質(zhì)量。本研究采用環(huán)氧樹脂輔助剝離法，觀察不同HTL 表面生長的鈣鈦礦膜微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如下：

①H-NiO?表面：鈣鈦礦晶粒小且不均勻，存在明顯碘化鉛（PbI?）析出（源于 Ni3?與前驅(qū)體的反應(yīng)），縱向生長時(shí)分層嚴(yán)重；

②分段式 2PACz-NiO?表面：晶粒變大，分層減輕，但仍有少量 PbI?析出；

③集成式 2PACz-NiO?表面：鈣鈦礦膜平整致密，無 PbI?析出，且形成垂直排列的柱狀晶粒 —— 這種結(jié)構(gòu)可顯著減少電荷復(fù)合，提升載流子傳輸效率。

掠入射廣角 X 射線散射（GIWAXS）與光致發(fā)光（PL）測試進(jìn)一步證實(shí)：集成式 HTL 上的鈣鈦礦結(jié)晶度最高，非輻射復(fù)合最少（PL 強(qiáng)度分布更均勻），為電池高性能奠定基礎(chǔ)。

PSCs的光伏性能與穩(wěn)定性

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小面積鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的光伏性能與穩(wěn)定性

基于三種 HTL（H-NiO?、分段式 2PACz-NiO?、集成式 2PACz-NiO?）制備小面積 PSCs（活性面積 0.0655 cm2 與 1 cm2）

①短期運(yùn)行穩(wěn)定：在最大功率點(diǎn)（MPP）下測試 300 秒，PCE 穩(wěn)定在26.02%，無明顯衰減；

②長期環(huán)境穩(wěn)定：ISOS-L-3（65℃、50% 濕度光浸泡）1000 小時(shí)后，保留 91% 初始 PCE；ISOS-D-3（65℃、85% 濕度儲(chǔ)存）500 小時(shí)后，保留 88% 初始 PCE—這源于集成 HTL 的均勻分子錨定，抑制了鹵離子遷移與界面降解。

大面積組件的規(guī)模化潛力驗(yàn)證

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集成式空穴傳輸層（HTL）策略在太陽能組件中的規(guī)?；瘧?yīng)用

為評估商業(yè)化潛力，本研究采用狹縫涂布工藝（大氣環(huán)境下）制備不同面積的 PSC 組件（結(jié)構(gòu)：FTO / 集成 2PACz-NiO?/ 鈣鈦礦 / C??/BCP/Cu），并測試其性能與一致性：

對比分段式 HTL 組件（749.276 cm2 時(shí)相對 PCE 增量僅 7.92%，效率方差 0.663），集成式 HTL 的優(yōu)勢顯著：

①規(guī)?；阅鼙Ａ艉?/strong>：隨著面積從 0.0655 cm2 增至 749.276 cm2，PCE 僅從 26.02% 降至 20.21%，衰減幅度小；

②一致性高：大面積PL mapping與接觸角測試顯示，集成式 HTL 的 2PACz 覆蓋均勻，不同位置的鈣鈦礦溶液接觸角差異小，保證了組件的性能重復(fù)性；

③工業(yè)穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)：749.276 cm2封裝組件通過 IEC 61215-2-2021 三項(xiàng)關(guān)鍵測試—戶外暴露（60 kWh/m2 輻照）、紫外預(yù)處理（15 kWh/m2 輻照）、濕高溫工作壽命（85℃/85% 濕度 1000 小時(shí)）后，均保留超過 95% 初始效率，滿足工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

本研究提出的“原位 SAM 配位 NiO?”集成 HTL 策略，通過“Na?O?預(yù)處理羥基化 NiO?→熱注入原位錨定 SAM→一步成膜制備HTL”的流程，同步解決了 SAM 基 HTL 的界面附著力、均勻性與規(guī)?；y題。該策略不僅實(shí)現(xiàn)了26.02% 的小面積電池效率，還使749.276 cm2 組件的 PCE 達(dá)到 20.21 %（19.50 %），且通過工業(yè)級(jí)可靠性測試，為高性能大面積鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化提供了切實(shí)可行的技術(shù)路徑。

美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測試儀

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大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測試儀通過非接觸、高精度、實(shí)時(shí)反饋等特性，系統(tǒng)性解決了太陽能電池生產(chǎn)中的速度、良率、成本、工藝優(yōu)化與穩(wěn)定性等核心痛點(diǎn)，并且結(jié)合AI深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識(shí)別與工藝反饋。

PL高精度成像：采用線掃激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 顏色灰度：同時(shí)清晰呈現(xiàn)高亮區(qū)域（如無缺陷區(qū)）與低亮區(qū)域（如缺陷暗斑）

高速在線PL檢測缺陷：檢測速度≤2s，漏檢率；誤判率

AI缺陷識(shí)別分類訓(xùn)練：實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識(shí)別與工藝反饋

美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測試儀采用無接觸式測試方式，可實(shí)時(shí)監(jiān)測鈣鈦礦電池各工藝段中的薄膜質(zhì)量異常，精準(zhǔn)定位單結(jié)及疊層電池中的缺陷分布。

原文參考：In situ coordinated HTL strategy for highperformance and scalable perovskite solar cells

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