鈣鈦礦/硅（Pero/Si）串聯太陽能電池作為突破單結效率極限的新興架構，其理論效率可達40%以上，展現出顯著的產業化前景。然而，現有研究表明，其長期運行穩定性遠低于單一材料的電池，這已成為制約其大規模應用的關鍵瓶頸。性能衰減主要源于復雜的界面失效：在光照和濕熱等運行應力下，鈣鈦礦層與硅襯底之間的埋底界面會發生明顯的協同降解。美能溫濕度綜合環境試驗箱專為驗證評估組件或材料的可靠性，能達到快速升溫降溫，提升測試效率，滿足IEC61215等標準。

本研究發現界面穩定性與互聯層的微觀結構密切相關，非晶態ITO等疏松結構會加速離子和氫的互擴散。基于此，研究提出界面工程的改進方向：開發致密的透明導電氧化物材料以增強阻隔性能，并在關鍵界面引入超薄原子層沉積阻擋層，以有效抑制離子和氫的遷移，從而為實現高效率、長壽命的Pero/Si串聯光伏器件提供可行的技術路徑。

實驗設計

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(a) 兩種前景廣闊的單片鈣鈦礦/硅串聯結構示意圖(b) J-V曲線及測量參數(c)MPPT最大功率點跟蹤(d)濕熱穩定性測試

研究選用兩種主流硅電池技術：TOPCon和HJT，與p-i-n型鈣鈦礦頂電池構建單片集成結構。在鈣鈦礦與硅的界面處引入自組裝單分子層和ITO作為互聯層。測試結果顯示，基于HJT的串聯器件初始效率略高于TOPCon版本，主要得益于其優異的表面鈍化能力帶來的更高開路電壓與填充因子。

穩定性測試與宏觀衰退現象

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在標準ISOS-L-3（光照）與ISOS-D-3（濕熱）老化測試中，兩類串聯器件均表現出顯著的性能衰減。Pero/HJT器件的衰減速度明顯快于Pero/TOPCon，其T90（保持初始效率90%的時間）在光照測試中僅86小時，遠低于后者（367小時）。這一現象提示，非晶硅基HJT結構可能在界面穩定性方面存在固有弱點。

鈣鈦礦界面分解過程

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(a) Pero/TOPCon和(b) Pero/HJT串聯器件的掃描電子顯微鏡圖像(c) Pero/TOPCon和(d) Pero/HJT串聯器件中對照鈣鈦礦與埋底鈣鈦礦在熱老化和光老化后的Pb 4f X射線光電子能譜(e) Pero/TOPCon和(f) Pero/HJT堆疊結構在加速熱老化前后的二維掠入射廣角X射線散射圖像

通過掃描電子顯微鏡（SEM）與X射線光電子能譜（XPS）分析發現，老化后鈣鈦礦埋底界面出現大量碘化鉛（PbI?）析出，且HJT樣品的分解程度更為嚴重。原位掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）進一步揭示，熱應力下鈣鈦礦向PbI?的轉化在HJT上發生更早、更快，表明非晶界面結構加速了鈣鈦礦的離子遷移與去質子化進程。

硅襯底界面鈍化失效

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(a) Pero/Si熱老化過程中埋底硅電池的光致發光mapping圖像追蹤(b) Pero/Si熱老化過程中埋底硅電池的準穩態光電導法測得有效載流子壽命追蹤(c)電化學電容-電壓法測得的埋底硅在Pero/Si 熱老化前后的活性載流子濃度深度分布(d)四探針法測得的埋底ITO/硅堆疊在 Pero/Si老化前后的薄層電阻

光致發光PL成像與準穩態光電導測試顯示，老化過程中埋底硅電池的載流子壽命顯著下降，且HJT結構的衰減幅度更大。電化學電容-電壓分析表明，硅近表面區域的活性載流子濃度下降，同時薄層電阻上升。這些變化被歸因于鈣鈦礦層遷移過來的離子（如I?、有機陽離子）與硅中氫的相互作用，導致表面缺陷增多、摻雜劑失活。

界面失效的微觀機制

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(a) Pero/TOPCon和(b) Pero/HJT串聯界面的透射電子顯微鏡-快速傅里葉變換圖像(c) Pero/TOPCon和(d) Pero/HJT串聯界面在熱老化后的掃描透射電子顯微鏡-能量色散X射線光譜元素分布圖(e) Pero/TOPCon和Pero/HJT串聯界面在熱老化前后的飛行時間二次離子質譜深度剖面(f)埋底HJT硅在熱老化前后的近表面拉曼光譜

透射電鏡與快速傅里葉變換分析表明，沉積于非晶a-Si:H上的ITO呈非晶態，而沉積于多晶硅上的ITO為結晶態。非晶ITO具有更多孔隙與缺陷，為離子與氫的遷移提供通道。元素分布成像（STEM-EDX）與飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）證實，老化后I?與含氮物種在HJT界面穿透更深。拉曼光譜進一步檢測到HJT中Si-H鍵的減少與結構無序化加劇，說明氫從a-Si:H層中逸出并參與界面反應。

本研究為鈣鈦礦/硅串聯器件中界面驅動的相互作用和降解提供了機制性證據。埋底界面處富含羥基的非晶ITO促進了鈣鈦礦離子和硅-氫的遷移，從而可能加速Pero/HJT中陽離子去質子化、PbI?形成及硅表面無序化。由此可見，透明導電氧化物的具體選擇和加工很可能調節了報道的離子/氫遷移路徑。

因此，建議未來旨在抑制界面相互作用的串聯設計應：（a）考慮采用具有更好阻隔性能的致密TCO（如優化的ITO/IZO）；（b）探索引入額外的超薄保形阻擋層（如ALD生長的氧化物）以阻隔離子/氫傳輸。理解和解決這些因素對于實現下一代高效率串聯光伏器件的大規模、長壽命應用至關重要。

美能溫濕度綜合環境試驗箱

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美能溫濕度綜合環境試驗箱采用進口溫度控制器，能夠實現多段溫度編程，具有高精確度和良好的可靠性，滿足不同氣候條件下的測試需求。

溫度范圍：20℃~+130℃

溫濕度范圍：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

滿足試驗標準：IEC61215、IEC61730、UL1703等檢測標準

美能溫濕度綜合環境試驗箱通過精確控制紫外輻照劑量與85°C/85%RH的濕熱環境，為鈣鈦礦光伏組件的可靠性評估提供了關鍵測試條件。

原文參考：Revealing the Interface Degradation of Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Photovoltaics

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