鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池已突破單結(jié)器件的效率極限，具備大規(guī)模應(yīng)用前景。目前研究主要集中在鈣鈦礦頂電池及其界面優(yōu)化上，而硅底電池的關(guān)鍵作用卻未得到充分探索。美能QE量子效率測(cè)試儀可用于精確測(cè)量太陽電池的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。

本文系統(tǒng)研究了硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）底電池上表面納米粗糙度對(duì)整體疊層器件性能的影響，并提出通過調(diào)控氫化納米晶硅（(n)nc-Si:H）層的厚度或在其沉積前進(jìn)行氫/二氧化碳混合等離子體處理，可有效調(diào)控表面形貌，進(jìn)而提升器件性能。

研究背景與意義

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疊層電池的高效率依賴于鈣鈦礦頂電池與硅底電池的協(xié)同優(yōu)化。在用于溶液法鈣鈦礦-硅疊層的SHJ底電池中，通常采用n型硅層（作為電子傳輸層），包括氫化非晶硅（(n)a-Si:H）、納米晶硅（(n)nc-Si:H）及氧化合金層（(n)nc-SiOx:H）。

其中，nc-Si:H基層具有更優(yōu)的光電特性，已在高效單結(jié)SHJ電池中廣泛應(yīng)用。這些層為混合相材料，由嵌入非晶基體中的納米晶組成，其表面通常呈圓頂形貌，產(chǎn)生納米尺度粗糙度。

這種形貌受兩相生長速率比控制，可通過膜厚、沉積參數(shù)或襯底預(yù)處理進(jìn)行調(diào)控。表面粗糙度顯著影響后續(xù)自組裝單分子層（SAM）的錨定及鈣鈦礦薄膜質(zhì)量，進(jìn)而影響整體器件性能，但此前其具體影響常被忽視。

研究方法與設(shè)計(jì)

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A. 單片鈣鈦礦-硅疊層器件示意圖。B. 采用不同底電池的疊層器件的開路電壓（VOC）和填充因子（FF）。C. 相應(yīng)器件的光致發(fā)光（PL）圖像和截面掃描電子顯微鏡（SEM）顯微照片

本研究采用兩種方法調(diào)控紋理化c-Si底電池的表面納米粗糙度：

改變 (n)nc-Si:H 層厚度（從約15 nm至70 nm）。

在沉積 (n)nc-Si:H 前，施加不同時(shí)長（0、15、30、60秒）的 H?/CO? 混合氣體等離子體處理（PT），并固定 (n)nc-Si:H 厚度為15 nm。

制備了兩種底電池：基于15 nm厚（Type-1）和25 nm厚（Type-2）(n)nc-Si:H層。所有疊層器件采用相同的鈣鈦礦頂電池工藝。

粗糙度調(diào)控及其對(duì)薄膜性質(zhì)的影響

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A. SEM顯微照片B. σd和Ea，以及C. 結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)（由拉曼光譜估算），均作為等離子體處理時(shí)長的函數(shù)D. 用于TLM測(cè)量的ρc測(cè)試結(jié)構(gòu)的示意圖（插圖）和代表性I-V曲線E. n型接觸疊層的提取ρc，以及F. 展示15納米厚(n)nc-Si:H層其τeff值隨等離子體處理時(shí)長的變化G. 具有(i)a-Si:H涂層（6納米厚）的紋理化樣品的反射光譜

厚度調(diào)控：隨著(n)nc-Si:H厚度增加，表面納米粗糙度增加，薄膜結(jié)晶度、暗電導(dǎo)率（σd）提高，活化能（Ea）下降。但更厚的層導(dǎo)致更長沉積時(shí)間及更高的紅外寄生吸收，降低底電池電流。

等離子體處理：即使對(duì)于15 nm的薄層，短時(shí)（15秒）等離子體處理也能顯著誘導(dǎo)納米粗糙度形成，表現(xiàn)為金字塔表面出現(xiàn)密集納米級(jí)凸起。延長處理時(shí)間（60秒）會(huì)導(dǎo)致晶粒聚集，形成更大球形特征。該處理能顯著提升薄膜電學(xué)性能：15秒處理使15 nm厚(n)nc-Si:H的σd從3.6×10?? S/cm提升至0.6 S/cm，Ea大幅降低，結(jié)晶度增強(qiáng)，效果堪比100 nm厚層。

電學(xué)與鈍化特性：

接觸電阻（ρc）：等離子體處理時(shí)長≤30秒時(shí)，ρc從約88 mΩ·cm2降至79 mΩ·cm2；60秒處理則因可能形成較厚界面氧化層導(dǎo)致ρc回升至89 mΩ·cm2。

鈍化質(zhì)量：等離子體處理會(huì)劣化(i)a-Si:H/c-Si界面的鈍化（有效少子壽命τeff下降），可能與CO?等離子體引入氧導(dǎo)致非晶網(wǎng)絡(luò)脫氫有關(guān)。在(n)nc-Si:H上添加2 nm厚(n)a-Si:H蓋帽層可有效緩解鈍化退化，并減少后續(xù)ITO濺射損傷，但略微增加ρc。

光學(xué)特性：更長的等離子體處理時(shí)間導(dǎo)致反射率逐漸降低（尤其在短波區(qū)），證實(shí)了表面納米粗糙度的增強(qiáng)。此光學(xué)行為在沉積10 nm ITO后依然保持。

對(duì)SAM沉積與鈣鈦礦薄膜形成的影響

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A. 在不同等離子體處理（PT）時(shí)長的(n)nc-Si:H層的紋理化c-Si晶圓上沉積HTL-SAM后的接觸角值B. 價(jià)帶頂（VBM）和功函數(shù)（WF）值，以及C. 具有不同等離子體處理時(shí)長的n型層/ITO/SAM（疊層）在SAM沉積前后的功函數(shù)偏移（ΔWF）。D. 截面SEM顯微照片以及基于GIWAXS測(cè)量的（100）衍射峰方位角積分強(qiáng)度。E. 沉積在不同n型層/ITO/SAM疊層上的鈣鈦礦薄膜的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS，Δμ）圖像

表面能與功函數(shù)：更高的表面納米粗糙度導(dǎo)致HTL-SAM溶液接觸角增大（表面能降低），并使SAM沉積后的功函數(shù)偏移（ΔWF）更大。這表明粗糙表面促進(jìn)了SAM分子的更緊密堆積，增強(qiáng)了界面偶極子效應(yīng)。

鈣鈦礦薄膜質(zhì)量：在經(jīng)30秒等離子體處理的樣品上沉積的鈣鈦礦薄膜，顯示出更大、更均勻的晶粒，以及更明顯的（100）晶面擇優(yōu)取向（通過GIWAXS測(cè)量），這有利于載流子遷移。絕對(duì)PL成像顯示，在這些樣品上的鈣鈦礦薄膜具有更高的PL強(qiáng)度和更均勻的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS，Δμ ≈ 1290 meV），表明非輻射復(fù)合減少。

疊層太陽能電池性能

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A. 采用不同n型層（疊層）的鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池的J-V參數(shù)B. 每種n型層（疊層）最佳器件的J-V特性曲線，以及C. 相應(yīng)疊層太陽能電池的外量子效率（EQE）光譜

與采用6 nm厚 (n)a-Si:H層的器件相比，采用15 nm厚 (n)nc-Si:H層的器件有效抑制了漏電，開路電壓（VOC）和填充因子（FF）分別從~1920 mV、~68% 提升至 ~1945 mV、~75%。這主要?dú)w因于粗糙度增加帶來的更大ΔWF以及更低的ρc。

增加2 nm (n)a-Si:H蓋帽層可略微提升VOC（得益于鈍化改善）。

施加等離子體處理（尤其是30秒）可進(jìn)一步提升FF，最終使器件效率提高。

所有樣品的短路電流密度（JSC）基本相當(dāng)。

最佳結(jié)果：采用15 nm (n)nc-Si:H + 2 nm (n)a-Si:H疊層結(jié)構(gòu)，并施加30秒等離子體處理，實(shí)現(xiàn)了最高32.6%的轉(zhuǎn)換效率。

實(shí)驗(yàn)方法概要

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研究使用n型FZ硅片，制絨后經(jīng)PECVD沉積(i)a-Si:H及各類n型層（包括(n)a-Si:H、(n)nc-Si:H及其疊層），并進(jìn)行等離子體處理。

隨后濺射ITO，制作背場(chǎng)與背反射鏡。鈣鈦礦頂電池采用2PACz作為HTL-SAM，沉積寬帶隙（~1.68 eV）鈣鈦礦吸收層，并輔以C60/SnO2作為ETL，最終蒸發(fā)IZO前電極和MgF2減反射層。

器件性能通過J-V測(cè)試、EQE、PL成像、SEM、AFM、拉曼光譜、開爾文探針、GIWAXS等多種手段進(jìn)行系統(tǒng)表征。

本研究揭示了硅底電池表面納米粗糙度是影響鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池性能的關(guān)鍵、且此前未被充分重視的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過調(diào)整(n)nc-Si:H層厚度或采用H?/CO?混合等離子體預(yù)處理，可有效調(diào)控粗糙度。增加的粗糙度改善了SAM錨定，提高了界面偶極子強(qiáng)度，進(jìn)而優(yōu)化了HTL/鈣鈦礦界面質(zhì)量和鈣鈦礦薄膜結(jié)晶性，最終顯著提升了器件FF和效率。等離子體處理法尤其適用于在薄(n)nc-Si:H層中高效引入粗糙度，有利于減少工藝時(shí)間和寄生吸收。這項(xiàng)工作為超越當(dāng)前以鈣鈦礦優(yōu)化為核心的策略提供了新思路，對(duì)推動(dòng)疊層電池產(chǎn)業(yè)化及相關(guān)硅基薄膜技術(shù)（如SHJ電池）具有廣泛意義。

美能QE量子效率測(cè)試儀

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美能QE量子效率測(cè)試儀可以用來測(cè)量太陽能電池的光譜響應(yīng)，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應(yīng)偏低區(qū)域問題。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)。

兼容所有太陽能電池類型，滿足多種測(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

原文參考：Tuning the surface nanoroughness of the recombination junction for high performance perovskite-silicon tandem solar cells