上海泊勋仪器：【Nature Communications】33.5%叠层电池背后的表征密码，稳态瞬态荧光系统全解析

　　你有没有遇到过这种情况——
 

　　样品做出来了，器件效率也不错，但审稿人一句话就让你哑口无言：
 

　　载流子寿命如何？缺陷位置在哪？相分离发生在哪个区域？
 

　　这些问题，靠一张 J-V 曲线根本回答不了。
 

　　最近，中科院半导体所游经碧/蒋琦团队联合湖南师范大学/西湖大学，在Nature Communications上发表了一项关于宽禁带钙钛矿-硅叠层电池的研究，认证稳态效率达 32.9%，叠层效率 33.5%，同时兼具出色的运行稳定性。
 

　　但这篇文章真正精彩的，不仅是那个亮眼的数字，更是它背后的多维度的荧光光谱表征——几乎把一台现代多功能稳态瞬态荧光系统能做的事情，都用到。
 

　　今天我们就来完整拆解：从这篇NC出发，看看一台稳态瞬态荧光系统，到底能在钙钛矿研究中帮你做多少事。
 

　　这篇文章讲了什么？
 

　　1、痛点：宽禁带钙钛矿的相分离难题
 

　　要在单晶硅电池上叠加一层钙钛矿，顶层的带隙最好控制在～1.7eV。为了达到这个数值，通常需要掺入大量溴(Br)，并引入铷(Rb)来提升电荷传输。
 

　　但研究团队发现，Rb的引入带来了一个棘手的问题：它会从钙钛矿晶格中“逃逸”，在薄膜表面析出一种叫δ-RbPbI₃的非活性次生相。
 

　　这就像一块完整的蛋糕上长出了霉斑——不仅会导致载流子被陷阱捕获、非辐射复合加剧，还会在光照下加速离子迁移、引发严重的相分离，最终让器件效率和稳定性大幅下降。
 

　　2、 策略：三聚氰胺的“双重身份”
 

　　研究团队将目光投向了三聚氰胺碘盐(MLAI)。通过 DFT 计算，他们揭示了 MLAI 的作用机制：
 

　　▶ 降低形成能：MLAI 与铅卤八面体和 A 位阳离子形成强静电相互作用，使合金阳离子相(α-RbFACsPbI₃)的形成能从-3.42eV 降至-3.76eV，比有害的δ相更低，热力学上更稳定。
 

　　▶ 降低成核势垒：合金相的成核势垒从0.42eV骤降至0.12eV，远低于δ相的0.15eV。根据阿伦尼乌斯公式，合金相的成核速率大幅提升。
 

　　简单来说，MLAI凭借的静电相互作用，稳稳地"锁住"了铷离子，迫使它们安心待在钙钛矿晶格中，共同参与构建高质量的薄膜。
 

　　3、结果：从微观到宏观的全面碾压
 

　　▶ 单结电池性能
 

　　开路电压(Voc)：1.31V
 

　　填充因子(FF)：86.4%
 

　　光电转换效率(PCE)：25.03%
 

　　Voc 和 FF 均逼近 Shockley-Queisser(S-Q)极限的 95%。
 

　　▶ 叠层电池性能
 

　　两终端钙钛矿-硅叠层稳态效率：33.5%(认证 32.9%)
 

　　开路电压高达 2.02 V——目前报道的最高值之一。
 

　　▶ 稳定性
 

　　在 65°C、1-sun的严苛条件(ISOS-L-2)下：
 

　　单结电池：T90 > 1400 h，T80 > 3200 h
 

　　叠层电池：T90 > 1135 h
 

　　他们是怎么证明的？
 

　　1、TRPL：给薄膜做一张“寿命体检表”
 

　　🔍文章做了什么？
 

　　研究团队通过时间分辨光致发光(TRPL)测量载流子寿命。对照组平均寿命仅 0.8μs，而 MLAI 优化后的薄膜寿命提升至 2.47μs。差分寿命分析进一步显示，MLAI组的界面电荷提取更快、非辐射复合被显著抑制。
 

　　💡设备视角：时间相关单光子计数-荧光寿命测试(TCSPC)
 

　　这就是稳态瞬态荧光系统的核心能力之一。通过 TCSPC(时间相关单光子计数)模块，系统可以能给出一条衰减曲线。你可以直观地：
 

　　• 定量评估薄膜缺陷密度-如载流子落到陷阱里会不发光、直接损耗能量，大幅缩短荧光寿命；
 

　　• 判断界面电荷提取能力-如载流子快速被传输层抽走，荧光会快速衰减、寿命变短；
 

　　• 分析离子偏析、相分离稳定性-如局部产生大量陷阱，局部荧光寿命骤降。
 

　　2、光谱分辨：捕捉相分离的“实时直播”
 

　　🔍文章做了什么？
 

　　为了证明MLAI确实抑制了相分离，研究团队做了原位光照下的 PL 光谱监测。对照组在 80 分钟强光照射后，PL峰红移了35nm——这是典型的Br/I相分离信号。而MLAI组峰位几乎无偏移。
 

　　💡 设备视角：光谱分辨检测
 

　　这就需要系统具备光谱分辨能力——探测器每个像素点不仅能记录荧光强度，还能记录完整的发射光谱。稳态瞬态荧光系统的光谱检测模块可以实现：
 

　　• 定量评估薄膜非辐射复合强度-如在相同激发光功率、薄膜厚度条件下， PL 强度越高，代表陷阱缺陷越少、非辐射复合损耗越低；
 

　　• 识别杂相、区分多物相共存-如不同钙钛矿物相荧光发射峰位不同，CCD 全谱可一次性检出杂相特征峰；
 

　　• 原位时间序列-如长时间跟踪同一区域的光谱演化，捕捉动态相分离过程。
 

　　匹配顶刊表征需求：我们的稳态瞬态荧光光谱系统
 

　　前面这篇 Nature Communications 工作，完整依靠 稳态荧光光谱、TCSPC 时间分辨 TRPL两套光学表征搭建完整机理证据链，而我们这款一体化稳态瞬态荧光设备，正是对标顶刊钙钛矿研究全套测试需求开发，在论文里所有光学实验均可在本设备一站式完成。
 

　　1、CCD 稳态光谱测试单元
 

　　采用制冷型 CCD 探测器，全波段同步采集 PL 光谱，支撑论文核心的原位光照相分离实验：快速标定薄膜带隙、追踪长时间光照下光谱峰位变化、对比添加剂改性前后发光强度差异，快速判断薄膜缺陷与杂相析出情况。
 

　　2、TCSPC 荧光寿命测试单元
 

　　搭载时间相关单光子计数模块，测试 TRPL 载流子衰减曲线，量化薄膜载流子寿命；通过寿命拟合分析非辐射复合强弱、界面电荷抽取效率，为开路电压、填充因子提升提供微观光学证据。
 

　　3、设备核心适配优势
 

　　整机集成稳态、瞬态两大核心功能，支持温控、光照原位老化拓展；配套专业数据拟合软件，傻瓜式测试荧光光谱、寿命绘图数据；预留升级接口，后续可拓展显微 FLIM 成像，实现微米级空间分辨缺陷观测。