在光伏領(lǐng)域，鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池因其突破單結(jié)電池效率極限的潛力而備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)兩端疊層電池由于子電池串聯(lián)，必須嚴(yán)格匹配鈣鈦礦頂電池的帶隙以實現(xiàn)電流匹配，這限制了材料選擇的靈活性，并影響了電池的穩(wěn)定性。三端疊層架構(gòu)通過在傳統(tǒng)兩端結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入第三個電極，有效解決了這一難題。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(yīng)，幫助優(yōu)化界面工程和背接觸設(shè)計，從而提升電池的量子效率和整體性能。

本研究首次將正面織構(gòu)化的叉指背接觸多晶硅氧化物鈍化接觸硅底電池集成到三端疊層電池中。該結(jié)構(gòu)采用n型摻雜的前表面電子收集層（nPOLO），與p-i-n型鈣鈦礦頂電池形成串聯(lián)連接。通過在正面引入亞微米級隨機(jī)金字塔織構(gòu)，既保證了長波光的吸收，又與鈣鈦礦溶液的濕法工藝兼容。背面保持平面結(jié)構(gòu)，便于叉指背接觸電極的制備。

實驗方法

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硅底電池制備：n型FZ硅片，正面納米織構(gòu)，熱氧化2.2 nm界面層，LPCVD沉積本征非晶硅，背面光刻掩模注入B/P形成叉指接觸，高溫退火形成POLO結(jié)，正面多晶硅減薄至35 nm，背面沉積AlOx/SiNy/SiOz鈍化層，激光開孔，濺射ITO雙層（5 nm高載流子種子層+15 nm透明層）。

鈣鈦礦頂電池：基片清洗后，RF濺射15 nmNiOx，旋涂2PACzSAM層，1.7 M前驅(qū)體溶液旋涂，反溶劑為乙酸乙酯，退火后蒸鍍C60/BCP/Cu。

表征與模擬：采用雙源測量單元進(jìn)行迭代最大功率點追蹤，子電池電壓和電流同步監(jiān)測。外量子效率測試用于驗證短路電流密度。年能量產(chǎn)出基于TMY3氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合光學(xué)傳遞矩陣模型和雙二極管電路模型進(jìn)行模擬計算。

電池設(shè)計與測量方法

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電池結(jié)構(gòu)

（a）3T疊層太陽能電池的電池結(jié)構(gòu)（b）2T和3T結(jié)構(gòu)的相應(yīng)等效電路（c）迭代測量循環(huán)的示意圖（d–f）3T架構(gòu)的示意圖（g）橫截面SEM圖像（h）冠軍3T疊層電池的頂電池和底電池的電流-電壓特性，以及2T疊層電池的結(jié)果（i）疊層電池中鈣鈦礦和硅子電池的相應(yīng)外量子效率光譜，以及對應(yīng)子電池的積分JSC

硅底電池采用n型晶圓，正面為電子收集的nPOLO鈍化接觸，背面則是叉指分布的pPOLO和nPOLO接觸點。這種設(shè)計的巧妙之處在于：正面亞微米級的隨機(jī)金字塔織構(gòu)既保證了長波光俘獲，又兼容后續(xù)鈣鈦礦的溶液法沉積；背面保持平整，避免了IBC結(jié)構(gòu)背面制絨的工藝難題。鈣鈦礦頂電池采用p-i-n結(jié)構(gòu)，通過ITO復(fù)合層與底電池形成串聯(lián)連接。

3T測量原理

3T電池的三個端口分別定義為：T（頂電池頂電極，電子選擇）、Z（底電池正面nPOLO，電子選擇）、R（底電池背面pPOLO，空穴選擇）。關(guān)鍵區(qū)別在于引入了第三條支路和對應(yīng)的電阻RB，當(dāng)上下子電池電流失配時，多余或缺失的電流可以通過Z端進(jìn)出，確保兩個子電池始終工作在各自的最大功率點。

測量采用迭代方法：首先在R端開路時測量T-Z的VMPP，然后固定T-Z電壓測量R-Z的VMPP，重復(fù)至收斂。總效率為兩個子電池效率之和。

實驗結(jié)果與討論

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冠軍電池性能

電池性能與迭代MPP

采用帶隙1.58 eV的鈣鈦礦（Cs0.05MA0.22FA0.73Pb(I0.90Br0.10)3），頂電池效率達(dá)到21.5%，底電池效率8.6%，3T總效率30.1%。相比之下，同一電池在2T模式下僅測得24.6%的效率，直觀展示了電流失配對2T電池的限制。SEM截面圖顯示，鈣鈦礦層均勻覆蓋亞微米織構(gòu)，保證了良好的界面接觸。

帶隙靈活性驗證

（a-c）2T和3T疊層太陽能電池中每個子電池的光伏參數(shù)（d-f）對于五種不同鈣鈦礦帶隙，硅和鈣鈦礦子電池以及相應(yīng)2T疊層電池的電流-電壓曲線（g-i）未封裝的子電池和2T疊層電池在空氣中進(jìn)行10分鐘最大功率點跟蹤

為驗證3T架構(gòu)的帶隙容忍度，研究制備了五種帶隙從1.52 eV到1.73 eV的電池，鈍化層改用穩(wěn)定性更佳的LiF。結(jié)果清晰表明：

2T電池性能對帶隙高度敏感：隨著帶隙增加，硅底電池JSC上升（更多光透過），鈣鈦礦頂電池JSC下降（吸收減少），綜合效率從低帶隙的不足20%升至1.73 eV時的約24%。這與電流匹配原理一致，寬帶隙更接近匹配點。

3T電池性能基本不隨帶隙變化：兩個子電池獨立貢獻(xiàn)，總效率穩(wěn)定在27-28%區(qū)間（略低于冠軍電池，因LiF鈍化效果略遜于PDAI2）。

這意味著3T架構(gòu)徹底擺脫了電流匹配束縛，可以采用穩(wěn)定性更好的1.5 eV級FAPbI3等材料，而不必犧牲效率。

穩(wěn)定性初步觀察

結(jié)果顯示硅底電池幾乎無衰減，鈣鈦礦頂電池則出現(xiàn)不同程度的衰減，且?guī)对礁撸˙r含量越高）衰減越快。但有趣的是，2T電池的衰減速率介于兩者之間，說明硅子電池在一定程度上補(bǔ)償了整體的功率損失。

年能量產(chǎn)出模擬

（a）不同地點2T和3T太陽能電池的模擬年能量產(chǎn)出（b）在最晴朗地點和最陰雨地點，2T和3T太陽能電池的年能量產(chǎn)出隨帶隙變化的關(guān)系（c）在鳳凰城地區(qū)，對于帶隙為1.73 eV的鈣鈦礦層，3T太陽能電池中RZ和RT電路的功率輸出曲線

為了將光譜變化和時間尺度納入考量，研究采用耦合光學(xué)-電學(xué)-能量模型，基于TMY3氣象數(shù)據(jù)模擬了全美七個典型氣候區(qū)的年能量產(chǎn)出。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)如下：

在電流匹配最佳點（1.73 eV），3T在所有地區(qū)均優(yōu)于2T，但優(yōu)勢幅度因地而異。陽光直射為主的鳳凰城優(yōu)勢最明顯（546 vs 513 kWh/m2/a），陰雨為主西雅圖差異極小（329 vs 327）。

當(dāng)帶隙偏離匹配點（如降至1.56 eV），2T損失急劇增加，3T優(yōu)勢放大。鳳凰城差距從9增至89.5 kWh/m2/a；西雅圖從2增至40。說明越晴朗、光譜變化越劇烈的地區(qū)，3T的優(yōu)勢越突出。

進(jìn)一步揭示了3T的工作機(jī)制：全年大部分時間主回路TR供電，當(dāng)出現(xiàn)電流失配時，RZ回路啟動補(bǔ)償（PRZ>0時提取多余電流，PRZ<0時注入缺失電流），確保整體輸出最大化。

本研究首次實現(xiàn)了正面織構(gòu)POLO-IBC硅底電池的3T鈣鈦礦/硅疊層電池，實驗證實30.1%的效率與帶隙解耦。2T架構(gòu)的電流匹配約束在3T中被徹底消除，使穩(wěn)定性更優(yōu)的低帶隙鈣鈦礦得以應(yīng)用。能量產(chǎn)出模擬進(jìn)一步表明，3T在實際戶外條件下，尤其是在晴朗、高輻照地區(qū)，具有顯著的年度發(fā)電優(yōu)勢。該工作為疊層電池的材料選擇和實際部署提供了新的技術(shù)路徑。

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(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、廣闊的光譜測量范圍、測試的準(zhǔn)確性和可追溯性等優(yōu)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(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：Enhanced Bandgap Flexibility in Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells via Three-Terminal Architecture

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