4T钙钛矿/硅叠层新策略：实现0.2m²大面积电池板19.45%效率

钙钛矿/硅叠层电池小面积效率已突破35%，




四端（4T）架构因支持独立MPP跟踪




、兼容双面硅且对硅产线改动小而受关注。

但放大到实用尺寸时麻烦不少：半透明电极替代金属电极后PCE缩水、宽禁带钙钛矿VOC受深能级缺陷拖累、电池到模组效率损失难压、透明器件层压封装缺验证。



美能非接触




IV测试仪



，无损、零耗材、毫秒级测速，适配BC/无主栅，



一次测出IV/EQE/PL多维参数



。

本研究在



钙钛矿有源层



内构建场效应结破局：



氯基MXene掺杂



在埋底界面引入局域n型特征，配合



4-FPE


AI


表面梯度钝化



在顶面拉出p型偏移，两侧偶极驱动能带弯曲，载流子提取更顺、复合更低。该策略让60 cm²半透明模组PCE超16%，0.2 m²四端叠层电池板PCE达19.45%，双面Si-HJT加持下30%反照率PGD突破23 mW cm⁻²，克里特岛三个月户外运行功率保持率95%以上。

实验方法

Millennial Solar

钙钛矿组分选的是Cs₀.₁₈FA₀.₈₂Pb(I₀.₈Br₀.₂)₃，



带隙1.68 eV



，适合高温环境运行。反溶剂用乙酸乙酯（EA）替换掉氯苯（CB），退火时间砍半到30 min。


Ti


₃C₂Cl₂ MXene靠Lewis酸刻蚀Ti₃AlC₂ MAX相来制备，掺进钙钛矿前驱液的浓度控制在0.016 mg mL⁻¹。



4-FPEAI溶在EA反溶剂里（0.13 mg mL⁻¹）完成SGP处理



。

器件走



n-i-p介孔路线



，电子传输层用石墨烯纳米片改性TiO₂，空穴传输层选PTAA。半透明器件把不透明金电极换成3 nm Au缓冲层加100 nm溅射ITO。模组端用



P1-P2-P3三道激光刻蚀



，24个电池串在一起，有效面积60 cm²。叠层电池板的封装交给工业热真空层压机，



ST-PSMs和Si-HJT电池一次层压搞定



。表征方面，SEM、XRD、TRPL、TPV、PL、EQE、UPS、XPS、KPFM都用上了，再配合DFT计算做理论验证。

小面积电池性能

Millennial Solar

四种测试结构（a）G/CB：石墨烯改性ETL+氯苯反溶剂（b）G/EA：改用乙酸乙酯绿色反溶剂（c）G/4-FPEAI：在b基础上加4-FPEAI表面梯度钝化（SGP）（d）G/MX/4-FPEAI完整二维材料工程方案，再加氯基MXene（MX-Cl）作掺杂剂

优化分四步走：先从G/CB参比器件起步，换EA绿色溶剂得到G/EA，再加4-FPEAI钝化得到G/4-FPEAI，最后上MXene掺杂拿出了



G/MX/4-FPEAI



。

箱线图分别给出（a）VOC（b）JSC（c）FF（d）PCE，数据从1 SUN下I-V特性提取

G/EA比G/CB的



PCE高出2个百分点



，EA结晶快、溶剂残留少是主要原因。G/4-FPEAI的PCE分别比G/CB和G/EA



提升8 %和5.8 %



，VOC的改善贡献最大。到了G/MX/4-FPEAI，冠军电池PCE做到22.12%，VOC站上1.19 V，JSC比G/4-FPEAI和G/EA分别涨了5 %和8 %，



I-V曲线的迟滞也压到了很小



。

薄膜形貌与缺陷钝化

Millennial Solar

（a、d）薄膜表面SEM（c、f）截面SEM（b、e）晶畴尺寸统计（g）含/不含MX-Cl的XRD图谱（h）归一化TRPL衰减曲线，双指数拟合

SEM下看得很清楚，MX-Cl掺杂后钙钛矿晶畴明显长大：



平均尺寸从0.125 µm涨到0.286 µm



，最大尺寸从0.242 µm冲到0.452 µm。MXene纳米片大多待在mTiO₂/钙钛矿底界面那一层，充当异质成核位点帮晶体往外长。

XRD谱图里（110）、（220）、（310）三个晶面的衍射峰都增强了，



结晶度上去、晶格畸变下来



。TRPL测出来MXene处理薄膜的平均载流子寿命1.11×10⁻⁷ s，比4-FPEAI薄膜的6.88×10⁻⁸ s长了一截。TPV显示电荷复合寿命拉长，



PL强度提高75%还红移了5 nm



，这几个


信号


都说明非辐射复合被有效摁住了。暗态J-V里反向漏电流和理想因子双双走低，跟前面对得上。归根结底，Cl端基跟Pb²⁺的强配位把金属铅簇（Pb⁰）带来的深能级缺陷给削掉了。

场效应结的形成机制

Millennial Solar

（a）MX-Cl/MAPbI₃/4-FPEAI界面优化后的原子结构（b）三种构型的


模拟


J-V曲线

UPS把能级的渐变调制暴露了出来：MX-Cl把WF拉低0.39 eV，往n型方向走；



4-FPEAI把WF抬高0.14 eV，往p型方向走



。两边偶极方向恰好相反，在界面处把能带顶弯了。

DFT计算给出了更细的图景：MX-Cl和钙钛矿之间虽然不形成共价键，但表面偶极把WF拉下来的同时在导带附近塞进了施主态；4-FPEAI则跟钙钛矿表面的铅原子结成共价键，把Pb离子的贡献态钝化掉，导带边上移，p型行为就出来了。KPFM从另一条路独立验证了WF的变化。器件


仿真


也复现了实验趋势：



4-FPEAI把VOC抬到1.19 eV，MX-Cl再往上推到1.20 eV，FF跟着改善



，背后是偶极诱导的电子积累和界面复合减少在起作用。

叠层模组与电池板

Millennial Solar

（a）半透明PSM版图（b）DEM1叠层电池板（c、d）层压后DEM1正背面照片

ST-PSCs的PCE做到了18.3 %，平均17.63 %，抗光致降解的能力也增强了。模组几何FF超过96 %。第一个演示器DEM1拿4个并联ST-PSMs叠在1片M2 Si-HJT电池上，



PCE约21 %



，其中表现最好的ST-PSM单模组PCE超过16%，从电池放大到模组的PCE衰减控制在13 %以内。

（a）DEM1正面照片（b）最佳ST-PSM的I-V曲线（c）经钙钛矿滤光后Si-HJT电池（d）四个并联ST-PSM组成的顶面板

为了验证工艺靠不靠谱，一口气做了150个ST-PSMs，统计数据出来确实稳定。



最终演示器DEM2规模更大，16个并联ST-PSMs配4个串联双面Si-HJT电池，面积接近0.2 m²，一步法层压整成一个器件



。在罗马户外测了一回：顶部ST-PSP的PCE约12.5%，底部Si-HJT约7%，叠层整体19.45%。

户外稳定性与双面发电

Millennial Solar

（a）150个ST-PSMs的PCE统计（b、c）DEM2正背面照片（d）ST钙钛矿顶面板I-V（e）Si-HJT底模组I-V（f）ST顶面板三个月户外运行初步稳定性（g）DEM2安装在克里特岛HMU设施的照片

DEM2装到克里特岛，



按ISOS-O-2协议持续监测



。三个月下来，ST-PSP的PMPP守住初始值的

95%以上

，FF每个月慢慢掉1.27%，底模组基本没出问题。Si-HJT底电池的双面特性也派上了用场：自然反照率从10%到30%之间变化时，



PGD从21.15一路升到23.66 mW cm⁻²。

这项研究把



4T钙钛矿/硅叠层电池

从


实验室小面积往实用尺寸推了一步。核心做法是在钙钛矿有源层内造一个场效应结：



SGP策略配合氯基MXene掺杂，两侧偶极拉出能带弯曲



。60 cm²半透明模组PCE做到16%以上，往上集成成0.2 m²的4T叠层电池板。层压工艺跟现有Si-HJT产线能对接，离量产又近了一步。户外测试数据也算扎实：STC下整板PCE 19.45%，30%反照率时PGD超过23 mW cm⁻²，在克里特岛跑了三个月功率保持稳定。

场效应结这个思路本身靠Cl端基MXene和4-FPEAI在空间上分工配合来实现，在钙钛矿界面和能级工程里算是比较新的打法。后面要解决的事还不少：成本上得把Au/ITO透明电极换成石墨烯之类的便宜方案；生产工艺要往更大面积、更经济走；2T架构的电压匹配也得跟上，既降本又能提高光谱适应性。另外，对已经跑过户外的模组做


拆解


诊断，应该能帮我们看清这套器件结构到底哪里先坏、稳定性瓶颈卡在哪个环节。