掺杂C₆₀/TaTm分子复合结实现22%效率钙钛矿/硅叠层电池：机理与性能研究

钙钛矿/硅串联电池是突破硅单结效率极限（29.5%）的理想方案，但工业硅片表面粗糙性导致的漏电问题亟待解决。本研究提出一种新型复合结设计，利用n掺杂C₆₀与p掺杂TaTm的有机异质结，通过低横向导电性阻断漏电，并结合Suns-VOC选择性光照与美能QE量子效率测试仪的外量子效率（EQE）分析，系统验证其在抑制漏电与提升效率中的关键作用。

实验方法

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• 串联电池结构设计 

串联堆叠结构

 

双端串联电池采用倒置发射极结构的硅异质结（SHJ）底电池（n型CZ硅片）与p-i-n型钙钛矿顶电池串联。复合结设计包括三种方案：

• 传统ITO-RJ：20 nm ITO层沉积于非晶硅（a-Si:H(n)层上；
• 超薄ITO-RJ：5 nm ITO层；
• 有机n-n-p-RJ：n掺杂C60层（通过PhIm共蒸发实现n型掺杂）与p掺杂TaTm层（F6-TCNNQ氧化掺杂）结合。

• 材料制备与表征 

钙钛矿层：采用三源共蒸发法制备Cs0.2FA0.8Pb(I0.8Br0.2)3（带隙1.66 eV），通过XRD和吸收光谱验证晶体质量。电荷传输层：空穴传输层（HTL）为TaTm/F6-TCNNQ复合结构，电子传输层（ETL）为C60/SnO2双层。电学测试：利用LED光源太阳模拟器测量J-V曲线，霍尔效应测试验证C60的n型特性。

SEM图像

 

形貌分析：SEM图像显示钙钛矿层对硅金字塔结构的共形覆盖，局部未覆盖区域导致传统ITO-RJ器件完全短路。

电性能分析 

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J-V特性曲线电性能参数

• 传统ITO-RJ器件（20 nm）：J-V曲线呈现单结硅电池特性（JSC≈18 mA/cm²，VOC≈0.7 V），表明钙钛矿顶电池完全短路。
• 超薄ITO-RJ器件（5 nm）：VOC提升至1.65 V，但填充因子（FF）仅55%，仍存在显著漏电流。
• 有机n-n-p-RJ器件：VOC达1.84 V，FF提升至70%，PCE突破22%。有机层的低横向导电性有效隔离局部短路路径，暗态J-V曲线显示其具有更高的并联电阻。

EQE分析

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(a) 外量子效率（EQE）测试；(b) EQE异常现象的机制解释

 

外量子效率（EQE）测试采用卤素光源结合光偏置技术，通过波长选择性滤光片（550 nm短通与850 nm长通）分别饱和底电池与顶电池的光电流。测试中，通过电压偏置（约0.6 V或1.0 V）确保被测子电池处于短路状态，避免反向偏压导致的电流损失。

• 5 nm ITO-RJ器件：钙钛矿顶电池在红外区（>760 nm）出现显著寄生响应，其积分电流中约2.13 mA/cm²源自底电池电流通过顶电池漏电路径。该现象表明顶电池并联电阻（Rsh）过低，导致子电池间电流耦合。
• 有机n-n-p-RJ器件：红外区寄生响应完全消除，EQE曲线在可见光区（300–780 nm）积分电流达16.90 mA/cm²，经栅线阴影校正后（校正因子0.89）与J-V结果（17.8 mA/cm²）高度吻合。

ITO-RJ的高横向导电性（8×10-3 S/cm）使局部短路路径形成连续导电网络，导致底电池光生电流通过顶电池漏电。而有机RJ的横向导电性（~10-4 S/cm）显著抑制漏电路径的连通性，阻断电流耦合，从而提升顶电池的独立工作性能。ITO复合结存在寄生响应，有机复合结无分流。

选择性光照分析-VOC量化

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选择性光照下的Suns-VOC曲线通过450 nm蓝光激光（激发顶电池）与910 nm红外激光（激发底电池）选择性照明，测量器件开路电压（VOC）随光强的变化规律。理想情况下，VOC与光强呈对数关系，而线性响应则表明存在显著漏电。

• 5 nm ITO-RJ器件：顶电池VOC随光强线性增加，表明漏电流主导电荷输运。底电池VOC在1 sun等效光强下仅0.61 V，低于原始硅片隐含VOC（0.744 V），归因于切割损伤与钙钛矿滤光效应。
• 有机n-n-p-RJ器件：顶电池VOC呈现对数型光强依赖，符合理想二极管特性，且底电池VOC贡献量（0.62 V）与串联器件总VOC（1.84 V）匹配，验证了复合结的电荷高效复合能力，有机复合结使钙钛矿子电池符合理想二极管行为。

研究结果表明，这种由n型掺杂的C60层和p型掺杂的芳胺层（TaTm）组成的全有机重组结，能够显著减轻顶电池中的分流效应，从而提高电池的开路电压（VOC）和填充因子（FF），最终实现了超过22%的转换效率。此外，通过外部量子效率（EQE）测量和选择性照明的Suns-VOC测量，我们进一步证实了全有机重组结在提高电池性能方面的优势。

美能QE量子效率测试仪

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美能QE量子效率测试仪可以用来测量太阳能电池的光谱响应，并通过其量子效率来诊断太阳能电池存在的光谱响应偏低区域问题。它具有普遍的兼容性、广阔的光谱测量范围、测试的准确性和可追溯性等优势。

兼容所有太阳能电池类型，满足多种测试需求

光谱范围可达300-2500nm，并提供特殊化定制

氙灯+卤素灯双光源结构，保证光源稳定性

 

进一步优化电荷传输层掺杂工艺与界面工程，有望实现更高效率的工业化双端串联电池。美能QE量子效率测试仪凭借其高精度光谱响应测量与双光源稳定性，为EQE分析与漏电路径诊断提供了可靠技术支撑，助力多结太阳能电池的缺陷定位与性能优化。

原文参考：Molecular Recombination Junction for Vacuum-Deposited Perovskite/Silicon TwoTerminal Tandem Solar Cells

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