傳統光伏技術面臨兩大核心挑戰：硅基電池效率逼近理論極限，而新興的鈣鈦礦電池雖效率潛力巨大，卻受制于有機組分導致的穩定性差及鉛元素的環境毒性問題。美能QE量子效率測試儀可用于精確測量太陽電池的EQE與光譜響應，幫助優化界面工程和背接觸設計，從而提升電池的量子效率和整體性能。

本研究提出一種創新的全無機鈣鈦礦疊層太陽能電池解決方案。該設計采用低鉛鈣鈦礦CsPb?.??Sn?.??IBr?（1.78 eV）作為頂部寬禁帶吸收層，以捕獲高能光子；同時選用完全無鉛的雙鈣鈦礦Cs?TiI?（1.02 eV）作為底部窄禁帶吸收層，有效利用透射的低能光子。通過仿真優化吸收層厚度實現精準的電流匹配，該疊層結構成功將高效率與高穩定性、低環境毒性相結合，最終實現了31.9%的功率轉換效率，為發展可持續的高性能光伏技術提供了明確路徑。

研究方法與電池結構

(a) 基于獨立 CsPb?.??Sn?.??IBr? 吸收層的頂部子電池器件結構(b) 基于獨立 Cs?TiI? 吸收層的底部子電池器件結構(c) 基于 CsPb?.??Sn?.??IBr?/Cs?TiI? 的多層疊層太陽能電池結構

本研究采用SCAPS-1D一維模擬器，在 AM1.5G 光譜、1 個太陽輻照（1000 W/m2）和300 K溫度條件下，對串聯電池進行性能模擬。

器件結構設計

頂電池：前電極 / N-PDI（電子傳輸層 ETL）/CsPb0.75Sn0.25IBr2（吸收層）/Spiro-OMeTAD（空穴傳輸層 HTL）/ 背電極

底電池：前電極 /TiO2（ETL）/Cs2TiI6（吸收層）/PEDOT（HTL）/ 背電極

串聯結構：通過電流匹配技術優化兩子電池的吸收層厚度，實現光耦合與電荷傳輸協同。

關鍵參數設置

(a) CsPb?.??Sn?.??IBr? 頂部子電池吸收層的吸收系數譜(b) Cs?TiI? 底部子電池吸收層的吸收系數譜

各層材料的電學參數（如禁帶寬度、遷移率、缺陷密度等）均按光伏器件模擬標準輸入 SCAPS-1D，吸收層厚度調節范圍為100-1000 nm，ETL/HTL厚度調節范圍為50-250 nm，界面缺陷密度測試范圍為1010cm-2至1018cm-2。

單結子電池性能

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頂部子電池在500 nm吸收層厚度下：(a) J-V 曲線(b) EQE 曲線；底部子電池在500 nm吸收層厚度下：(c) J-V 曲線(d) EQE 曲線

單獨測試頂、底電池的光伏性能顯示：

頂電池（吸收層 500 nm）：短路電流密度（JSC）= 15.16 mA/cm2，開路電壓（VOC）= 1.41 V，填充因子（FF）= 87.41%，功率轉換效率（PCE）= 18.77%。外部量子效率（EQE）曲線在700 nm波長處降至零。

底電池（吸收層 500 nm）：JSC= 33.38 mA/cm2，VOC= 0.79 V，FF = 85.80%，PCE = 22.63%。EQE曲線在1200 nm波長處降至零。

進一步分析偏壓與無偏壓條件下的能帶結構、載流子分布和電流傳輸特性，發現 ETL 區域電子濃度較高，HTL 區域空穴濃度較高，吸收層中載流子分布均勻，為串聯優化提供了基礎數據。

ETL/HTL厚度變化的影響

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獨立頂部子電池在ETL厚度變化（50–250 nm）時：(a) J-V 曲線(b) 光伏參數變化；在HTL厚度變化（50–250 nm）時：(c) J-V 曲線(d) 光伏參數變化

獨立底部子電池在ETL厚度變化（50–250 nm）時：(a) J-V 曲線(b) 光伏參數變化；在HTL厚度變化（50–250 nm）時：(c) J-V 曲線(d) 光伏參數變化

對于頂部子電池，增加ETL（N-PDI）厚度會加劇復合，導致JSC和PCE下降，而HTL（Spiro-OMeTAD）厚度的變化對性能影響甚微。

對于底部子電池，ETL（TiO?）和HTL（PEDOT）厚度的變化均未對光伏參數產生顯著影響。

界面缺陷對頂 / 底電池的影響

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界面缺陷對頂部子電池性能的影響：(a，c) J-V 曲線及 (b，d) 光伏參數

界面缺陷對底部子電池性能的影響：(a，c) J-V 曲線及 (b，d) 光伏參數

頂部子電池：ETL/吸收層（N-PDI/CsPb?.??Sn?.??IBr?）界面缺陷密度的增加會顯著降低JSC、VOC和PCE；而吸收層/HTL界面的缺陷主要影響VOC，對JSC影響較小。

底部子電池：ETL/吸收層（TiO?/Cs?TiI?）界面缺陷對JSC和PCE的影響極為顯著；吸收層/HTL界面缺陷則主要影響VOC和FF，對JSC無影響。

單結頂 / 底電池吸收層厚度變化的影響

吸收層厚度變化對光伏參數的影響：(a) 頂部子電池吸收層(b) 底部子電池吸收層

頂部吸收層（CsPb?.??Sn?.??IBr?）厚度從100 nm增至1000 nm，由于光吸收增強，JSC和PCE持續提升，最高PCE達20.66%（厚度1000 nm）。

底部吸收層（Cs?TiI?）存在最佳厚度：在300 nm時獲得最高PCE為24.55%，超過此厚度后因體內復合增加導致效率下降。

疊層電池仿真與電流匹配

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在濾波光譜下，頂部與底部電池厚度變化對疊層電池光伏參數的綜合影響：(a) 開路電壓(b) 填充因子(c) 短路電流密度(d) 功率轉換效率

通過系統調整頂部和底部吸收層厚度，找到了電流匹配點。當頂部CsPb?.??Sn?.??IBr?厚度為970 nm，底部Cs?TiI?厚度為200 nm時，兩子電池在濾波光譜條件下的JSC達到16.84 mA/cm2的共同值。

在此電流匹配點，疊層電池的性能為：

JSC= 16.84 mA/cm2

VOC= 2.18 V（頂部1.39 V + 底部0.79 V）

FF = 86.97%

PCE = 31.93%

該效率顯著高于各獨立子電池的效率之和，體現了疊層結構在充分利用太陽光譜方面的優勢。

本研究提出并模擬了一種環境友好型全無機鈣鈦礦疊層太陽能電池。頂部子電池采用低鉛的CsPb?.??Sn?.??IBr?（1.78 eV），底部子電池采用無鉛的Cs?TiI?（1.02 eV）。通過優化吸收層厚度實現電流匹配，該疊層設計實現了31.93%的高轉換效率和2.18 V的高開路電壓，同時在材料層面兼顧了降低鉛毒性和增強無機穩定性的優勢。

這項工作為開發高效、穩定且可持續的光伏技術提供了一條有前途的路徑。未來的研究可集中于進一步改善材料長期穩定性、優化器件結構以獲得更佳的電流匹配，以及推動該設計走向實際制備與規模化應用。

美能QE量子效率測試儀

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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300-2500nm，并提供特殊化定制

氙燈+鹵素燈雙光源結構，保證光源穩定性

美能QE量子效率測試儀通過精準測量電池在300-900 nm短波范圍內的光譜響應，為驗證本研究中鈍化性能的提升提供了關鍵實驗數據。

原文參考：Current matched all perovskite tandem solar cells with low lead perovskites achieving 31.9% efficiency and enhanced stability

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