在鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池中，使用硅異質結（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)模生產中并不經(jīng)濟。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)、長載流子擴散長度和可調帶隙，成為太陽能電池領域的研究熱點。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，減少非輻射復合損失，提高電荷提取效率。

光管理：優(yōu)化電池的光陷阱結構，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，確保電池在長期運行中的性能穩(wěn)定。

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

潤濕性改善

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

不同分子組合對潤濕性及相關性能的影響

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，強調二者可能通過氫鍵形成更強的偶極-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重要，有利于提升電池性能。

單結太陽能電池的性能

制備單結鈣鈦礦太陽能電池，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的影響

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

tr-PL 分析：在最初約400ns內，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，表明界面復合較低，減少了界面處的電荷復合，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SPV信號，表明空穴選擇性電荷轉移，空穴被傳輸至ITO中，約400ns后SPV瞬態(tài)達到最大振幅，標志著從電荷提取向復合的轉變。與之不同，單獨使用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構和性能

電池結構示意：基于140μm Cz-Si的鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池結構示意圖，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量。

IV曲線：電池實現(xiàn)了較高的開路電壓Voc達1.954V，填充因子FF為81.82%，短路電流密度Jsc為18.91mA/cm2，光電轉換效率PCE達到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，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結（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合損失，從而實現(xiàn)了30.22%的高效能，展示了這種結構在高效太陽能電池中的巨大潛力。

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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，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應偏低區(qū)域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測量范圍、測試的準確性和可追溯性等優(yōu)勢。

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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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