全球正致力于提升鈣鈦礦光伏電池的效率，其中疊層太陽能電池(TSCs)因其高效率、低熱損耗和易于集成成為研究熱點。本研究采用美能絨面反射儀RTIS等先進表征手段，系統分析了雙面鈣鈦礦/硅疊層電池的優化路徑，重點探討IBC結構和光柵設計對效率的提升作用，為下一代高效疊層太陽能電池的開發提供了理論和實驗依據。

電池結構與材料選擇

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頂部鈣鈦礦電池：

• 活性層：Cs?.??MA?.??FA?.?Pb(I?.?Br?.?)?（帶隙1.62 eV）
• 傳輸層：SnO2（ETL）/NiOX（HTL）組合，具有低溫工藝兼容性和高穩定性
• 電極：雙面ITO（30 nm陰極/200 nm陽極）
• 創新設計：IBC結構兼具光柵功能（周期Pg=700 nm，寬度Wg=350 nm）

底部硅異質結電池：

• 接觸層：200 nm Al電極（分別連接n/p區）
• 載流子選擇層：n型aSi（20 nm，摻雜1.5×1019cm-3）和p型aSi（20 nm，摻雜2×1019cm-3）
• 鈍化層：5 nm本征aSi（i-aSi）
• 吸收層：300 μm n型晶體硅（摻雜5×1015cm-3）
• 界面層：1 nm缺陷硅（模擬界面復合）

中間連接層：

• 光學耦合層：150 nm SiO?（折射率匹配）
• 電學隔離層：50 nm SiO?（擊穿場強>10 MV/cm）

電池各層材料的光電特性參數

所設計太陽能電池的(a)頂部電池與(b)底部電池能帶結構示意圖

模擬方法與參數設置

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光學模擬：采用時域有限差分法（FDTD），計算300–1200 nm波長范圍內的吸收特性。載流子輸運與復合：通過漂移-擴散方程模擬，關鍵參數包括：

• 陷阱輔助復合：鈣鈦礦層載流子壽命τ?=τ?=40ns（基于N?=1×1015cm-3和σ??=2.5×10-15cm2計算）。
• 俄歇復合：鈣鈦礦C?=C?=4.4×10-29cm6/s。
• 輻射復合：鈣鈦礦C?=5.3×10-11cm3/s。

反照率反射模擬：考慮不同地面類型（瀝青、混凝土、雪等），通過系數0.1–0.8調整AM1.5G光譜強度。

頂電池減反射層（ARC）優化

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最優厚度點處鈣鈦礦層的透射光譜雙層ARC（LiF/TiO2）在350–800 nm波段透光率更高（96% vs. 93%）。最優厚度：LiF（100 nm）/TiO2（22 nm）。

頂電池背接觸光柵設計

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光電流密度(Jph)隨頂部電池背接觸光柵周期(Pg)及寬度周期比(Wg/Pg)的變化關系頂部電池的(a)短路電流密度(Jsc)、(b)光電轉換效率(PCE)、(c)開路電壓(Voc)及(d)填充因子(FF)隨背接觸光柵周期(Pg)和寬度周期比(Wg/Pg)變化的彩色映射圖最佳參數：Pg=0.4 μm、Wg/Pg=0.4時，頂電池光電流（Jph）達20.3 mA/cm2。準電流匹配：Pg=0.7 μm、Wg/Pg=0.5時，頂/底電池Jph接近（19.45/19.91 mA/cm2）。

頂電池性能分析

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(a)(Pg, Wg/Pg)參數組的電流密度-電壓(J-V)特性曲線；(b)電化學阻抗譜(EIS)奈奎斯特圖不同光柵參數組合(Pg, Wg/Pg)下的吸收光譜與外量子效率(EQE)譜;(d)對應參數組的反射與寄生吸收光電流密度損失最優結構（Pg=0.7 μm、Wg/Pg=0.5）：

• 高復合電阻（Rrec=1.92 MΩ），低串聯電阻（Rs=12.95 Ω）。
• 最高開路電壓（Voc=1.196 V），PCE達19.3%。

較差結構（Pg=0.2 μm、Wg/Pg=0.6）：PCE僅6.23%，FF低至45%。

底電池減反射層（ARC）優化

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(a)雙層(SiO?/TiO?)結構;(b)硅層表面對應的反射光譜SRV對電學參數的影響曲線雙層ARC（SiO2/TiO2）最優厚度為SiO2=92 nm、TiO2=52 nm，光傳輸率提升至94%。效果：PCE提升至10.81%，Jsc增加9%。

底電池背接觸光柵設計

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填充因子(FF)隨n型非晶硅寬度(nw)及間隙寬度(Gw)變化的彩色映射圖最優參數：nw=400 μm（占周期20%）、Gw=1280 μm（占80%）。效果：PCE達9.94%（Jsc=16.55 mA/cm2，Voc=0.734 V）。對比：nw過大（1600 μm）會降低空穴提取，PCE僅7.14%。

底電池性能分析

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不同反射率下的PCE對比柱狀圖(a)不同反照率反射條件下的電流密度-電壓(J-V)特性曲線，(b)平均反照率與無反照率條件下的J-V特性曲線對比高反射環境（如雪地80%）：PCE達16.59%，較瀝青（10%反射）提升53%。典型暗沙（30%反射）：Jsc和PCE較無反射時分別提升43%和46%。

最佳性能

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雙面鈣鈦礦/晶硅疊層電池與文獻報道性能對比頂電池：雙層ARC+光柵（Pg=0.7 μm、Wg/Pg=0.5）組合最優，兼顧高透光、低反射（3.5 mA/cm2損失）和高效電荷收集。底電池：通過IBC幾何優化（Gw最大化）和雙層ARC，在雪地等高反射環境下PCE可達16.59%。總效率：結合頂電池后，總效率突破30%，為平面結構疊層電池的最高水平之一。

美能絨面反射儀

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美能絨面反射儀RTIS通過漫反射激發電池片，然后通過8度角采用光譜儀檢測。RTIS具有定位的機臺和導軌，能夠方便而快速地送入樣品，實現電池片樣品的定位，提高使用人員的工作效率。

• 光譜測試范圍可達：350-1050nm
• 快速、自動任意多點測量
• 每點測試速度約0.1s，檢測時間僅為傳統反射率的1/10
• 精準測量反射率、膜厚等多項重要參數

本研究通過多物理場協同優化，首次實現雙面模式下頂/底電池IBC一體化設計，并系統解決了陷阱復合、材料穩定性等產業化瓶頸。結合美能絨面反射儀RTIS（測試速度0.1s/點）對反射率與膜厚的精準測量，總效率突破30%，為低成本、高效率疊層太陽能電池的實用化提供了突破性解決方案。

原文出處：Back contact optimization of both sub-cells in bifacial perovskite/silicon tandem solar cell

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