本文亮点：已报道的反式钙钛矿太阳能电池（PSCs）的准稳态认证效率很少超过26%，主要归因于界面能级失配和缺陷诱导的非辐射复合。在此，本文报道了一种表面相转化策略，即在二碘化哌嗪（PDI）溶解的异丙醇溶液中引入少量N-甲基吡咯烷酮（NMP），以缓解上述问题。基于此，本文制备的单结PSCs、迷你组件和全钙钛矿叠层电池分别获得了26.87%（稳定效率）、23.00%和29.08%的高认证光电转换效率。在环境空气中、65 °C、1倍太阳光照射下，经过2500小时的最大功率点跟踪，初始效率仍保持96%[1]。
使用设备：显微光谱由杭州谱镭光电的ProSp-Micro-MVIS microspectroscopy system以及405nm激光器，海洋光学的QEPro光谱仪
自2012年首篇关于稳定固态钙钛矿太阳能电池（PSCs）的开创性报道以来，钙钛矿光伏技术因其低成本制备、长电荷载流子扩散长度和高电荷载流子迁移率而受到广泛关注。近年来，反式（p–i–n）PSCs因其在光电转换效率（PCE）、稳定性以及与叠层太阳能电池兼容性方面的优势，逐渐成为研究热点，凸显了其商业化潜力。然而，在文献中，认证准稳态效率超过26%的反式PSCs仍鲜有报道。其主要瓶颈在于不可避免的非辐射复合损失，尤其是在钙钛矿/电荷传输层界面。
本文报道了一种涉及结晶动力学的表面相转化策略，通过在二碘化哌嗪（PDI）溶解的异丙醇（IPA）溶液中引入微量极性非质子溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP），以最小化钙钛矿/电子传输层（ETL）界面的非辐射复合损失。本文证明，在后处理过程中，NMP在超薄钙钛矿表面诱导了独特的结晶路径，使钙钛矿从溶剂化中间相直接转变为α相，绕过了传统的δ-中间相→α相路径，从而显著提高了钙钛矿表面的结晶度并降低了接触损耗。本文制备的单结PSCs获得了26.87%的认证光电转换效率（稳定效率）和86.06%的高填充因子，迷你模块（孔径面积11.09 cm2）的效率为23.00%，全钙钛矿叠层太阳能电池的效率为29.08%。此外，本文器件在N2气氛中、85 °C下老化超过1000小时后，仍保持初始效率的95%；在空气中、65 °C、等效1倍太阳照明的白光LED光照下运行超过2500小时后，仍保持初始效率的96%。
目前，最先进的反式PSCs通常采用有机铵盐作为表面钝化剂，包括1,3-丙二胺氢碘酸盐（PDAI₂）、3-(甲硫基)丙胺氢碘酸盐（3MTPAI）、苯乙基氯化铵（PEACl）、哌嗪氢碘酸盐（PI）、苯乙基碘化铵（PEAI）以及PDI，以解决表面缺陷并缓解复杂的界面载流子复合问题。这一效果归因于铵基与钙钛矿表面之间的强相互作用，以及所诱导的表面n型掺杂。本文首先使用含有钝化剂的IPA溶液（饱和钝化剂溶液）进行了常规后处理，并研究了光伏性能对钝化剂的依赖性。器件的电流-电压特性表明，与对照器件（无钝化）相比，后处理提高了PCE。在处理过的样品中，PDI处理的器件表现出最大的PCE提升（图1），这可能是由于其对钙钛矿表面具有最高的结合能。平均器件效率从24.80%提高到25.49%，达到了与大多数先前报道的基于常规带隙钙钛矿的高效反式PSCs大致相当的水平。
本文向PDI–IPA溶液中引入了微量的极性非质子溶剂，极性非质子溶剂与IPA的体积比为1:200。这一微量的极性非质子溶剂旨在溶解钙钛矿薄膜的超薄层，以实现表面相转化（图1a）。本文首先尝试了N,N-二甲基甲酰胺（DMF），这是一种广泛用于钙钛矿前驱体的典型母体溶剂。在配位溶剂处理的薄膜中观察到的结节可能源于配位溶剂诱导的PbI₂在钙钛矿表面的重新分布，从而对PbI₂产生“剪切”效应。这种PbI₂的重新分布也可能在改善钙钛矿薄膜的非辐射复合特性方面发挥作用。这一发现得到了稳态PL结果的支持，其中IPA-N后处理的钙钛矿薄膜显示出最强的PL强度。
进一步开展了不同入射角下的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）测量，以表征相应钙钛矿薄膜在表面（图1c、f、i），然而，在钙钛矿薄膜的体相内部，这三种条件下的(100)晶面强度没有显著差异，表明该策略主要提高了钙钛矿表面的结晶度。此外，在退火后的钙钛矿薄膜中，无论是表面还是体相，均未观察到二维钙钛矿相。
为了合理揭示定制的溶剂化中间相在钙钛矿表面缺陷钝化中的作用，本文进一步采用原位PL测量，在旋涂和退火过程中监测相应的钙钛矿薄膜。旋涂过程中，经IPA和IPA-N处理的钙钛矿薄膜的原位PL光谱如图2a、d所示。两种情况下PL强度均迅速增加，表明PDI对钙钛矿表面具有钝化作用。与IPA情况相比，IPA-N条件下达到最大PL强度所需时间更长且PL强度更高，表明其钝化路径与IPA情况不同。达到最大值后PL强度下降，推测是由于溶剂蒸发过程中本征缺陷表面暴露所致。重要的是，当PDI与IPA-N溶剂体系联用时，钝化效果更为显著，这一点由稳态PL和J-V曲线所证实。在退火阶段（图2b、e、f），与IPA条件相比，基于IPA-N的钙钛矿薄膜的PL强度更快达到峰值，表明IPA-N与钙钛矿表面具有更好的反应活性。
采用本文的IPA-N策略，制备了结构为ITO/NiOx/SAMs/钙钛矿/PCBM/BCP/Ag的反式PSCs，基于本文的IPA-N策略和优化的衬底，本文在反向扫描下实现了高达27.19%的PCE（稳态PCE为26.95%）和高达86.70%的填充因子（图4a）。反向J–V扫描确认的PCE为27.27%，填充因子为86.06%（稳态PCE为26.87%）。这一结果是反式PSCs中认证效率最高的结果之一。为了进一步评估IPA-N方法的放大能力，本文成功制备了孔径面积为11.09 cm²的高性能迷你组件（图4c）。该迷你组件在反向扫描J–V曲线上表现出令人印象深刻的23.17%的PCE。
此外，未封装的IPA-N器件在氮气气氛中、85 °C下热老化1000小时后，仍保持初始PCE的95%，而对照器件仅保持初始PCE的79%。另外，在环境空气中、65 °C、MPPT下连续1倍太阳光照2500小时后，基于IPA-N的封装器件保持了初始PCE的96%，而对照器件则下降到初始PCE的82%（图4d）。
综上所述，本文报道了一种涉及结晶动力学的表面相转化策略，以最小化钙钛矿/电子传输层（ETL）界面的非辐射复合损失。基于此相变辅助的表面相转化策略，本文制备的单结PSCs获得了26.87%的认证光电转换效率（稳定效率）和86.06%的高填充因子，迷你模块（孔径面积11.09 cm²）的效率为23.00%，全钙钛矿叠层太阳能电池的效率为29.08%。
本文所用设备一览
显微光谱测量系统
全新升级SPL-Micro40
文中研究使用的显微拉曼系统现已更新换代，全新升级的Micro40系列显微光谱测量系统，把透反射、荧光和拉曼光谱测量功能集成到一套显微平台上， 实现显微透反射、显微荧光和显微拉曼光谱的测量。整套系统由显微镜、显微模块、光谱仪和光源等构成。系统可以选装二维电控扫描台， 实现Mapping测量功能。
- 显微荧光光谱测量
- 显微拉曼光谱测量
- 显微透反射光谱测量
- Mapping光谱测量
- 正常显微镜功能
模块化设计：不同波长的荧光模块、拉曼模块可以选择， 不同的光谱仪和光源可以选择；
全光纤结构：不同模块之间的信号通过光纤传输， 这对于后期的维护和升级非常有利；
光谱测量范围宽：根据不同配置，光谱范围可以覆盖250-2500nm;
空间分辨率高：在100X物镜下， 光谱采集区域可以小到2um;
二维扫描：可以配二维扫描台， 实现Mappi ng测量功能；
软件功能强大：软件集成了光谱仪、二维扫描台、CCD相机和光源， 可以做二维扫描光谱测量；软件可以做反射、荧光、拉曼、相对辐射、绝对辐射等光谱测量；操作软件能实现2台不同波段光谱仪的拼接测量；可以做光谱时序图测量；可以做时间－波长－强度（反射率、透过率、辐射强度、拉曼强度、荧光强度等）测量；激光诱导电流LIBC测量；光致量子效率和电致量子效率测量；软件可以在CCD上直接选取扫描区域， 可以方便的在视场中选取某个感兴趣的点，该点在软件控制下，自动移动到光斑照射位置，并进行光谱测量。
调试方便：整个系统的光路， 客户可以自行调节（通过外部调节）， 使仪器在任何时候都处在最佳状态。
测试示例：
典型应用：
- 微流控领域:可以观察和精确定位样品区域，并进行荧光、拉曼和反射光谱的测量;
- 农业领域:如测量某种叶片某个区域的荧光、拉曼或者反射光谱的强度分布，研究病虫害情况等;
- 激光材料领域:研究材料荧光信号、拉曼信号，从而评价材料性能和参数指标;
- 光子晶体领域:如测量利用光子晶体原理制造的纺织品，测量某微小区域的颜色值等
- 材料研究领域:通过研究材料微观区域的光谱情况，来研究材料特性。
海洋光学QEPro高灵敏度光谱仪
QE Pro是一款多功能、高灵敏度光谱仪，适用于常规应用和弱光信号的荧光和拉曼分析等应用。采用背照式CCD探测器具有高量子效率和板载缓存功能，以确保在高速采集中的数据完整性。可选的内置快门可有效控制暗噪音，可更换狭缝便于客户适配不同的应用场景。QE Pro包含定制和预配置型号。
产品特点
- 可更换狭缝光栅
- 2个指示灯显示光谱仪与热电冷却状态
- 10个用户可编程数字I/O引脚
- 4种触发模式
- SPI/I2C外设控制通信、USB 2.0全速传输
- RS232最高460k波特率非易失性存储
应用领域
- 血液和生物样品的吸光度
- 环境中的气溶胶
- 食品掺假
- 蛋白质荧光测量
- 需要高热稳定性和低杂散光的弱光应用
- 眼科材料监测
405nm激光器
谱镭光电提供各类用于激发光源的405nm激光器，并且可以集成到显微系统中，根据客户的实际需求，我们可以为客户选配合适的型号与款式。
- 双波长激光器，两个激光输出口;
- 光纤耦合输出，多模光纤和单模光纤可选，使用方便;
- 仪器可通过面板操作，也可以通过软件操作，带二次开发指令集;
- 大功率TEC制冷，温度稳定性高;
- 带TTL触发、内触发和模拟调制功能;
- 可选各种规格的准直透镜;
AWS-A系列单模半导体激光系统，本系列产品可实现激光器的稳功率、稳波长输出，广泛应用于荧光检测、材料分析等行业。激光器包含上位机控制软件，可监测激光器使用状态，支持激光器固件在线更新。
- 内置TEC，功率稳定性优于±2%
- 包含上位机控制、急停开关等功能
- 光斑均匀
- 可靠性高
- 波长可选
Integrated Optics小型激光器专为集成设计，超过20个波长可选，空间光输出，多模光纤输出，单模光纤输出，保偏光纤输出，并有窄线宽可选。并可以在保证优秀稳定性的同时集成4个波长在同一设备内，可选空间光输出和光纤输出。
- 体积小巧，50x30x18 mm，适用于集成具有相同的尺寸，相同的控制接口，便于更换5V供电，低功耗，适用于电池供电的系统
- 多波长可选
- 数字调制和模拟调制
- 可选光纤耦合输出(SM，FM，MI)
- 节省空间的针头连接器，便于0m集成控制
- 自动功率控制
- TEC制令
- 过热保护
- 多种配件可选
- 友好的软件界面
参考文献
1. Liu S, Miao T, Wang J, Zhang Y, Chen R, Lei X, et al. Solvated-intermediate-driven surface transformation of lead halide perovskites. Nature Energy 2025; 11(1):109-120.
