傳統(tǒng)光伏技術(shù)面臨兩大核心挑戰(zhàn)：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(jī)組分導(dǎo)致的穩(wěn)定性差及鉛元素的環(huán)境毒性問(wèn)題。美能QE量子效率測(cè)試儀可用于精確測(cè)量太陽(yáng)電池的EQE與光譜響應(yīng)，幫助優(yōu)化界面工程和背接觸設(shè)計(jì)，從而提升電池的量子效率和整體性能。

本研究提出一種創(chuàng)新的全無(wú)機(jī)鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池解決方案。該設(shè)計(jì)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(shí)選用完全無(wú)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(guò)仿真優(yōu)化吸收層厚度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電流匹配，該疊層結(jié)構(gòu)成功將高效率與高穩(wěn)定性、低環(huán)境毒性相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)了31.9%的功率轉(zhuǎn)換效率，為發(fā)展可持續(xù)的高性能光伏技術(shù)提供了明確路徑。

研究方法與電池結(jié)構(gòu)

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

本研究采用SCAPS-1D一維模擬器，在 AM1.5G 光譜、1 個(gè)太陽(yáng)輻照（1000 W/m2）和300 K溫度條件下，對(duì)串聯(lián)電池進(jìn)行性能模擬。

器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(lián)結(jié)構(gòu)：通過(guò)電流匹配技術(shù)優(yōu)化兩子電池的吸收層厚度，實(shí)現(xiàn)光耦合與電荷傳輸協(xié)同。

關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

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

各層材料的電學(xué)參數(shù)（如禁帶寬度、遷移率、缺陷密度等）均按光伏器件模擬標(biāo)準(zhǔn)輸入 SCAPS-1D，吸收層厚度調(diào)節(jié)范圍為100-1000 nm，ETL/HTL厚度調(diào)節(jié)范圍為50-250 nm，界面缺陷密度測(cè)試范圍為1010cm-2至1018cm-2。

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

單獨(dú)測(cè)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(kāi)路電壓（VOC）= 1.41 V，填充因子（FF）= 87.41%，功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）= 18.77%。外部量子效率（EQE）曲線(xiàn)在700 nm波長(zhǎng)處降至零。

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

進(jìn)一步分析偏壓與無(wú)偏壓條件下的能帶結(jié)構(gòu)、載流子分布和電流傳輸特性，發(fā)現(xiàn) ETL 區(qū)域電子濃度較高，HTL 區(qū)域空穴濃度較高，吸收層中載流子分布均勻，為串聯(lián)優(yōu)化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

ETL/HTL厚度變化的影響

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

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

對(duì)于頂部子電池，增加ETL（N-PDI）厚度會(huì)加劇復(fù)合，導(dǎo)致JSC和PCE下降，而HTL（Spiro-OMeTAD）厚度的變化對(duì)性能影響甚微。

對(duì)于底部子電池，ETL（TiO?）和HTL（PEDOT）厚度的變化均未對(duì)光伏參數(shù)產(chǎn)生顯著影響。

界面缺陷對(duì)頂 / 底電池的影響

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

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

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

底部子電池：ETL/吸收層（TiO?/Cs?TiI?）界面缺陷對(duì)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(duì)JSC無(wú)影響。

單結(jié)頂 / 底電池吸收層厚度變化的影響

吸收層厚度變化對(duì)光伏參數(shù)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(qiáng)，JSC和PCE持續(xù)提升，最高PCE達(dá)20.66%（厚度1000 nm）。

底部吸收層（Cs?TiI?）存在最佳厚度：在300 nm時(shí)獲得最高PCE為24.55%，超過(guò)此厚度后因體內(nèi)復(fù)合增加導(dǎo)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(duì)疊層電池光伏參數(shù)的綜合影響：(a) 開(kāi)路電壓(b) 填充因子(c) 短路電流密度(d) 功率轉(zhuǎn)換效率

通過(guò)系統(tǒng)調(diào)整頂部和底部吸收層厚度，找到了電流匹配點(diǎn)。當(dāng)頂部CsPb?.??Sn?.??IBr?厚度為970 nm，底部Cs?TiI?厚度為200 nm時(shí)，兩子電池在濾波光譜條件下的JSC達(dá)到16.84 mA/cm2的共同值。

在此電流匹配點(diǎn)，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(dú)立子電池的效率之和，體現(xiàn)了疊層結(jié)構(gòu)在充分利用太陽(yáng)光譜方面的優(yōu)勢(shì)。

本研究提出并模擬了一種環(huán)境友好型全無(wú)機(jī)鈣鈦礦疊層太陽(yáng)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(wú)鉛的Cs?TiI?（1.02 eV）。通過(guò)優(yōu)化吸收層厚度實(shí)現(xiàn)電流匹配，該疊層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了31.93%的高轉(zhuǎn)換效率和2.18 V的高開(kāi)路電壓，同時(shí)在材料層面兼顧了降低鉛毒性和增強(qiáng)無(wú)機(jī)穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)。

這項(xiàng)工作為開(kāi)發(fā)高效、穩(wěn)定且可持續(xù)的光伏技術(shù)提供了一條有前途的路徑。未來(lái)的研究可集中于進(jìn)一步改善材料長(zhǎng)期穩(wěn)定性、優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)以獲得更佳的電流匹配，以及推動(dòng)該設(shè)計(jì)走向?qū)嶋H制備與規(guī)模化應(yīng)用。

美能QE量子效率測(cè)試儀

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

兼容所有太陽(yáng)能電池類(lèi)型，滿(mǎn)足多種測(cè)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

美能QE量子效率測(cè)試儀通過(guò)精準(zhǔn)測(cè)量電池在300-900 nm短波范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)，為驗(yàn)證本研究中鈍化性能的提升提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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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