在鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池中，使用硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）太陽能電池作為底部電池是實現(xiàn)高效率的最有前景的方法之一。目前，大多數(shù)高效疊層太陽能電池使用厚的浮區(qū)（FZ）底部電池，這在工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)中并不經(jīng)濟(jì)。因此，研究者們致力于開發(fā)更薄、雙面微紋理表面的Cz生長SHJ底部電池，以提高光耦合效率并滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。

研究背景

鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的光電特性，如高吸收系數(shù)、長載流子擴(kuò)散長度和可調(diào)帶隙，成為太陽能電池領(lǐng)域的研究熱點。鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池通過將鈣鈦礦頂部電池和硅底部電池串聯(lián)，能夠更有效地利用太陽光譜，從而提高整體轉(zhuǎn)換效率。然而，要實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的疊層太陽能電池，需要解決以下幾個關(guān)鍵問題：

界面工程：改善鈣鈦礦層與空穴傳輸層（HTL）之間的界面，減少非輻射復(fù)合損失，提高電荷提取效率。

光管理：優(yōu)化電池的光陷阱結(jié)構(gòu)，提高光吸收效率，減少反射損失。

材料穩(wěn)定性：提高鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性，確保電池在長期運(yùn)行中的性能穩(wěn)定。

制造成本：開發(fā)適合大規(guī)模生產(chǎn)的制造工藝，降低電池的制造成本。

潤濕性改善

通過穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）測量和接觸角測量，評估了不同PA對鈣鈦礦薄膜質(zhì)量和潤濕性的影響。

不同分子組合對潤濕性及相關(guān)性能的影響

分子組合示意：圖a 為 Me-4PACz 與膦酰基乙酸（PAA）共吸附的示意圖，強(qiáng)調(diào)二者可能通過氫鍵形成更強(qiáng)的偶極-偶極相互作用，這種相互作用有助于改善HTL對鈣鈦礦的覆蓋性能。

PLQY 測量：使用Me-4PACz時 PLQY略有增加，表明其對非輻射復(fù)合有一定抑制作用。

潤濕性特征：添加 EPA、PAA 和 3 - SAA 可改善薄膜覆蓋，而 PMPA 和 TFMPMPA 雖能減少非輻射損失，但仍存在潤濕性限制，3 - SAA 還導(dǎo)致非輻射損失增加。

表面自由能：Me-4PACz 涂覆的玻璃/ITO 基板潤濕性明顯低于PAA，PAA使SFE從Me-4PACz的40增加到72mN/m，主要源于極性部分增加。兩步法旋涂 PAA 且中間不退火會大幅增加極性，退火可使Me-4PACz與ITO牢固結(jié)合，減少SFE變化。

接觸角測量：相比Me-4PACz，PAA樣品上的水接觸角更小，進(jìn)一步證明PAA可顯著提高表面潤濕性，這對鈣鈦礦薄膜在HTL上的均勻沉積和覆蓋至關(guān)重要，有利于提升電池性能。

單結(jié)太陽能電池的性能

制備單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，并使用不同的PA分子（PAA、PPA、PHA）和Me-4PACz的組合作為空穴傳輸層（HTL）。

使用不同膦酸分子和Me-4PACz的組合對單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池性能的影響

鈣鈦礦層覆蓋情況：使用PAA時，鈣鈦礦層的覆蓋顯著改善，減少了宏觀孔洞，降低了分流比例，從而提高了電池的產(chǎn)量和性能。

開路電壓（VOC）：隨著PA鏈長的增加，VOC略有增加，表明PA的添加有助于提高VOC。

填充因子（FF）：PA的添加顯著提高了FF，表明PA的添加有助于提高電荷提取效率和減少非輻射復(fù)合損失。

使用PAA和PHA時，電池性能最佳，平均VOC為1.198 V，平均FF為84.3%。特別是PHA，不僅提高了VOC，還保持了高效的性能，表明PHA是進(jìn)一步優(yōu)化HTL層的有前景的材料。

電荷提取

不同HTL組合對光生電荷載流子動力學(xué)的影響

測量方法：樣品在515 nm激光激發(fā)下，以20 kHz的重復(fù)頻率進(jìn)行測量，初始載流子濃度相當(dāng)于約0.1 suns。

tr-PL 分析：在最初約400ns內(nèi)，Me-4PACz或其與PAA的混合物的tr-PL衰減更明顯，這意味著它們能更有效地提取空穴，使光生載流子快速被提取，導(dǎo)致tr-PL快速衰減。而在較晚時間，其tr-PL衰減變慢，表明界面復(fù)合較低，減少了界面處的電荷復(fù)合，有助于提升電池性能。

tr-SPV 分析：Me-4PACz或其與PAA的混合物呈現(xiàn)負(fù)SPV信號，表明空穴選擇性電荷轉(zhuǎn)移，空穴被傳輸至ITO中，約400ns后SPV瞬態(tài)達(dá)到最大振幅，標(biāo)志著從電荷提取向復(fù)合的轉(zhuǎn)變。與之不同，單獨(dú)使用PAA的樣品呈現(xiàn)持續(xù)且較小的正信號，表明電子向ITO移動，可能是電子在 ITO/PAA/鈣鈦礦界面捕獲，或PAA具有輕微電子選擇性，說明 PAA 單獨(dú)作為空穴選擇性傳輸層效率欠佳。

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)和性能

電池結(jié)構(gòu)示意：基于140μm Cz-Si的鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖，清晰呈現(xiàn)了從頂部Ag環(huán)、LiF（增透層）、鈣鈦礦層，到中間各功能層，再到底部 c - Si (n) 等層的堆疊順序，各層協(xié)同工作實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

潤濕性對比：通過接觸角測量，對比了亞微米紋理化和拋光正面的 SHJ 底部電池涂覆混合 PA 后的潤濕性。在亞微米紋理表面，鈣鈦礦墨水的潤濕性顯著提升，接觸角僅在初始時刻可測，隨后墨水迅速鋪展覆蓋整個表面。這得益于微觀形貌降低了表面自由能，改善的潤濕性有助于提高疊層電池的制備產(chǎn)量。

IV曲線：電池實現(xiàn)了較高的開路電壓Voc達(dá)1.954V，填充因子FF為81.82%，短路電流密度Jsc為18.91mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率PCE達(dá)到30.22%，展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

EQE光譜分析：使用量子效率測試儀測量外部量子效率（EQE）。測量范圍內(nèi)，總短路電流密度Jsc為40.35mA/cm2，反射損失為2.23mA/cm2，寄生吸收為3.90mA/cm2。EQE 光譜表明兩個子電池未處于電流匹配狀態(tài)，電池受硅基子電池限制，這種電流失配在一定程度上解釋了電池極低的滯后現(xiàn)象。

通過優(yōu)化空穴傳輸層（HTL）和采用雙面亞微米級紋理的硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）底部電池，顯著提高了鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的性能。結(jié)合Me-4PACz和不同功能化的膦酸（PA）分子，不僅改善了鈣鈦礦薄膜的潤濕性和覆蓋特性，還保持了高效的空穴提取和低非輻射復(fù)合損失，從而實現(xiàn)了30.22%的高效能，展示了這種結(jié)構(gòu)在高效太陽能電池中的巨大潛力。

美能QE量子效率測試儀

美能QE量子效率測試儀可以用來測量太陽能電池的光譜響應(yīng)，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應(yīng)偏低區(qū)域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測量范圍、測試的準(zhǔn)確性和可追溯性等優(yōu)勢。

兼容所有太陽能電池類型，滿足多種測試需求

光譜范圍可達(dá)300-2500nm，并提供特殊化定制

• 氙燈+鹵素?zé)?/span>雙光源結(jié)構(gòu)，保證光源穩(wěn)定性

利用美能量子效率測試儀進(jìn)行外部量子效率（EQE）測量，可提供高精度的光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)，不僅驗證了我們的優(yōu)化策略的有效性，還為未來進(jìn)一步提升電池效率和穩(wěn)定性提供了重要的指導(dǎo)。

原文出處：Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells Above 30% Conversion Efficiency on Submicron-Sized Textured Czochralski-Silicon Bottom Cells with Improved Hole-Transport Layers

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