鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池因其高效率與低成本潛力受到廣泛關注。然而，使用具有微米級金字塔結構（>2 μm）的工業織構硅（ITS）基底時，空穴選擇層與鈣鈦礦層的均勻覆蓋成為關鍵挑戰，導致界面復合損失嚴重。本研究提出一種新型疊層電池結構，通過引入SiO?納米球構建局部亞微米接觸，結合美能絨面反射儀對工業級絨面硅片上SiNx/SiON疊層反射率的原位統計測量，實現對ITS表面“冰山式”金字塔形貌的調控，所制備的疊層電池在1 cm2面積上實現了認證效率33.15%，并展現出優異的穩定性。

SiO?納米球構筑“冰山結構”

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絨面硅上SAMs 錨定及鈣鈦礦沉積的表征

為實現高質量鈣鈦礦層的溶液法沉積，引入SiO?納米球作為介電填充材料，填充金字塔谷底，形成“冰山式”結構。通過比較不同尺寸（20–500 nm）的SiO?納米球，發現100nm顆粒在填充效果與后續層覆蓋之間取得最佳平衡。

進一步研究了常用SAM材料2PACz在不同基底上的覆蓋情況。AFM-IR和KPFM結果顯示，ITS上2PACz分布不連續，電勢分布不均；而經SiO?調控后的ITS(SiO?)基底上，2PACz 覆蓋均勻，電勢分布顯著改善，有利于減少接觸損失。

鈣鈦礦沉積與結晶行為

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盡管2PACz改善了界面性質，其在ITS上仍導致鈣鈦礦墨水去濕現象。引入SiO?后，鈣鈦礦覆蓋度顯著提升，晶體質量與STS相當。原位光致發光（PL）監測顯示,ITS(SiO?) / 2PACz 上鈣鈦礦結晶后PL強度更高，表明非輻射復合被有效抑制。

載流子動力學研究

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局部亞微米接觸的載流子動力學特性

及不同絨面硅襯底的反射率光譜

通過電子束誘導電流（EBIC）成像和瞬態PL mapping，評估了局部接觸結構下的載流子收集與擴散行為。結果顯示，ITS(SiO?)上的鈣鈦礦頂電池具有與STS相當的載流子收集能力，計算得到的載流子擴散長度約為860 nm?；诖?，通過仿真驗證了隨著擴散長度增加，電池填充因子（FF）顯著提升，進一步支持了局部接觸結構的有效性。

光學性能優化及電池效率

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光電調控下的疊層電池性能及效率

反射譜測試表明，SiO?的引入進一步降低了ITS的反射損失，增強了光捕獲能力，SiO?納米球可能激發Mie共振模式，進一步降低光學損失。

通過優化SiO?濃度（最終確定為5 mg/mL），實現了高性能、高重復性的ITS(SiO?)疊層電池，平均效率達32.2%，優于STS疊層（31.8%）。最佳實驗室電池效率為32.57%（反向掃描），其Jsc、Voc和FF分別為20.66 mA/cm2、1.955 V和80.67%。

通過調節鈣鈦礦組分（降低溴含量，帶隙從1.68 eV降至1.66 eV），進一步優化了電流匹配，提升了整體電流輸出。最終，結合局部接觸結構與帶隙調控，實現了穩態效率33.08%，認證效率33.15%，是目前基于ITS的monolithic鈣鈦礦/硅疊層電池的最高效率。

鈣鈦礦/硅疊層電池穩定性

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鈣鈦礦/硅疊層電池的SEM圖像、MPPT曲線

在ISOS標準測試下，ITS(SiO?) 疊層電池在85°C / 85% RH條件下1100小時后仍保持86.7 %的初始效率，顯著優于STS電池（81.8 %）。在80°C 持續光照MPPT測試中，ITS(SiO?)電池1000小時后仍保持91.7 %的效率，遠高于STS的78.4 %，顯示出優異的耐熱性與運行穩定性。

本研究通過SiO?納米球調控ITS表面形貌，構建局部亞微米接觸，其中具有微米級（約2μm）金字塔結構的工業絨面硅（ITS）更具優勢，反射譜測試SiO?的引入降低了ITS的反射損失，增強了光捕獲能力，進一步降低光學損失，成功實現了高性能、高穩定性、與現有產線兼容的鈣鈦礦/硅疊層電池，最高認證效率達33.15 %。該策略為解決工業織構硅上的鈣鈦礦集成難題提供了可行路徑，推動了疊層電池的商業化進程。

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

美能絨面反射儀通過8°角漫反射激發+多點矩陣掃描，實現鈣鈦礦/硅疊層電池工業級絨面硅片上SiNx/SiON疊層反射率的原位統計測量，其快速無損檢測特性更推動該成果從實驗室向產線轉化。

原文參考：Iceberg-like pyramids in industrially textured silicon enabled 33% efficient perovskite-silicon tandem solar cells

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