近日，《Nature Photonics》在线发表了上海交通大学赵一新教授团队题为“Modulating p-n transition of two-dimensional perovskites for efficient and stable perovskite/Si tandem photovoltaics”的研究论文，影响因子38.1。该研究提出了一种基于分子设计的二维钙钛矿导电特性调控策略，解决了倾向于本征p型的二维钙钛矿向n型调控的领域难题，突破了传统二维/三维异质结在p-i-n结构宽带隙钙钛矿太阳能电池中界面能级匹配受限的关键瓶颈，为高效率、高稳定性的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池提供了新的设计思路。

作者最终实现了33.64%的认证钙钛矿/硅叠层太阳能电池效率，并在最大功率点连续运行1100小时后仍保持初始效率的92%。

该研究使用了上海复享光学的LuminQY准费米能级分裂检测系统，用于进行钙钛矿薄膜的荧光量子产率

01 研究背景

近年来，钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池被认为是突破传统晶硅单结太阳能电池效率极限的重要技术路线。其基本思路是利用宽禁带钙钛矿作为顶部电池，将晶硅作为底部电池。宽禁带钙钛矿主要吸收短波长、高能量光子，而硅底电池继续吸收长波长光，从而降低单结太阳能电池中的热化损失。其中，1.6–1.7 eV左右的宽禁带钙钛矿非常适合作为硅叠层的顶电池。本文采用的宽禁带钙钛矿禁带宽度约为1.68 eV。然而，宽禁带钙钛矿也面临一个非常严重的问题：缺陷、界面复合以及卤素离子迁移导致的光致相分离。

因此，近年来一个非常有效的策略是在3D钙钛矿表面构建低维/二维钙钛矿层。2D钙钛矿具有较好的环境稳定性，同时可以钝化表面缺陷、抑制离子迁移，因此形成的2D/3D异质结构能够明显改善钙钛矿太阳能电池的稳定性和界面质量。

但是，这里面存在一个非常关键的矛盾：传统2D钙钛矿大多表现为p型，而p–i–n结构中的电子传输层通常是n型；因此传统2D钙钛矿与n型电子传输层（ETL）之间存在严重的能级失配，限制 了界面电荷提取效率并加剧非辐射复合。也就是说：2D钙钛矿本身是一个很好的“保护层”，但它同时可能成为一个“不好的电子传输层”。这正是本文试图解决的核心问题。

02 过程思路

核心创新：分子偶极调控实现p→n转型

研究团队提出分子偶极矩调控策略，通过化学设计对二维Ruddlesden–Popper（RP）钙钛矿的有机间隔基进行对位卤素修饰（F、Cl、Br），实现导电类型由p型向n型的精准转变。

关键机制如下：

1.偶极矩调控费米能级：以对位卤代哌啶衍生物（parahalogenated piperidine derivatives）为骨架，引入卤素原子诱导分子内不对称静电势，产生分子偶极矩。其中Br-PD⁺的偶极矩高达11.879 D，约为未改性PD⁺（4.053 D）的3倍。随着偶极矩增大，二维钙钛矿的费米能级从−4.60 eV（PD）持续上移至−3.81 eV（Br-PD），向导带底靠近，n型导电属性逐步增强。

2.能带排列优化：未改性的(PD)₂PbI₄与三维钙钛矿形成Ⅰ型异质结（导带带阶1.0 eV，价带带阶仅0.2 eV），阻碍电子提取。引入n型(Br-PD)₂PbI₄后，能级排布转变为Ⅱ型异质结，导带底下移利于电子抽取，价带底加深形成高效空穴阻挡层，大幅抑制界面非辐射复合。

3.增强界面耦合：(Br-PD)₂PbI₄与电子传输层C₆₀之间的吸附能低至−0.98 eV，电荷转移效应最强，显著改善界面接触。

图2.未经过（Control）和经过Br-PDI处理（Target）的3D钙钛矿薄膜的性能对比

其中图f.  PLQY光致发光量子产率采用复享光学LuminQY准费米能级分裂检测系统检测；可见经过Br-PDI处理（Target）的PLQY均比对照组高

文献作者在文中也特地向复享光学团队为PLQY测量工作作出致谢。

03 研究成果

器件性能提高：

1.单结宽禁带（~1.68 eV）p-i-n钙钛矿电池：开路电压从1.16 V提升至1.26 V（+100 mV），效率从20.19%跃升至23.40%。

2.钙钛矿/硅叠层电池：与工业级110 μm厚Czochralski硅异质结底电池集成后，获得认证效率33.64%。

3.运行稳定性：在最大功率点连续跟踪1,100小时后，仍保留92%的初始效率，展现出优异的长期工作稳定性。

该研究对器件性能提升非常具有说服力，在宽禁带约1.68 eV的p–i–n钙钛矿单结电池中，加入这种n型2D表面层之后：Voc由约1.16 V提高到1.26 V。也就是提高了约：100 mV。与此同时，器件效率从：20.19% → 23.40%。对于宽禁带钙钛矿来说，100 mV的开路电压提升是非常值得关注的。因为这意味着作者并不是简单通过增加光吸收或者改变光学结构来提高效率，而是实实在在地降低了界面电子损失和非辐射复合损失。换句话说：这100 mV背后反映的是界面质量和能级匹配的改善。

在单结器件上验证了机制之后，作者进一步将其应用到真正的钙钛矿/硅叠层器件，最终实现33.64%的钙钛矿/硅叠层效率。采用工业化的110 μm厚Czochralski硅异质结底电池与宽禁带钙钛矿顶电池组成单片式两端（2T）钙钛矿/硅叠层电池。最终实现33.64%的认证功率转换效率。这一结果非常重要，因为它说明该方法并不是只适用于实验室中的“模型器件”，而能够真正作用于工业硅底电池；这使得论文从“材料科学创新”进一步进入了“器件工程和产业化应用”的层面。

稳定性同样是该研究的重要贡献，团队进行了最大功率点（MPP）连续运行测试。结果显示1100小时后仍保持初始效率的92%。也就是说，虽然器件仍然存在衰减，但长期运行稳定性已经达到相当不错的水平。一方面：2D钙钛矿 → 表面钝化、抑制离子迁移 → 提高稳定性。另一方面：n型2D钙钛矿 → 改善能级匹配、降低界面复合 → 提高效率。因此，这种设计并不是简单的“效率”和“稳定性”二选一，而是试图让两者同时提升。

图3.钙钛矿/晶硅叠层电池的光伏性能

04 总结与展望

该研究从分子尺度解决了二维钙钛矿导电类型与器件构型不匹配的核心瓶颈，为2D/3D异质结的界面能级工程提供了分子偶极调控的普适性策略。研究不仅推动了钙钛矿/硅叠层光伏效率纪录的更新，更为面向产业化的高稳定叠层器件设计奠定了理论与技术基础。

05 复享光学设备

准费米能级分裂检测系统LuminQY

✔ 0.01~100% PLQY

✔ 0.001~2Suns 激发

✔ 0.8~2.1eV 带隙覆盖

复享光学LuminQY 准费米能级分裂检测系统是专为薄膜光伏电池设计的高精度光电表征设备，核心基于绝对发光光谱测量技术，可同时实现光致发光量子产率 (PLQY)、电致发光量子产率 (ELQY) 、准费米能级分裂 (QFLS)、赝 JV 曲线及理想因子等关键参数的定量检测。

该系统无需制备完整器件，仅通过薄膜态或半器件态样品即可准确预测器件开路电压潜力，逐层评估各功能层工艺质量，为钙钛矿、 CIGS 等薄膜光伏电池的工艺优化、材料筛选及稳定性研究提供核心数据支撑 。全系列包含 4 款标准型号，覆盖从基础 PL 检测到全功能 PL+EL + 近红外检测的不同应用需求。

产品特点

全系列覆盖：提供4 款标准型号，满足不同预算与应用场景需求

宽范围高精度检测：PLQY 检测范围覆盖0.01%~100%，跨越4 个量级仍保持优异信噪比

双激发通道：支持520nm & 785nm 双激发光源，软件自动切换光路

绝对辐照度定标：设备通过计量院可溯源标准光源定标，可直接设定1 个太阳强度光强

多维度自动化测量：支持一键变光强PL 扫描、一键变偏压/ 电流EL 扫描，自动生成完整参数曲线

原位老化监测：内置光暗循环老化模式，可实时监控样品在光照/ 暗态交替过程中的性能变化

集成化数据分析：软件自动计算QFLS、iVoc、光学PCE、开压损耗分析等核心参数

紧凑化设计：全系采用430×300×178mm 一体化机身，尺寸兼容手套箱直通传递大仓（Φ360 (D)×600 (L) mm）

模块化升级：基础型号可通过升级包扩展EL 检测功能与近红外检测波段