四端钙钛矿叠层效率突破30.3%，从PVK/Si到全钙钛矿四种主流结构及性能分析

四端（4T）钙钛矿叠层太阳能电池（TSCs）通过独立优化子电池并规避电流匹配限制，展现出显著效率优势。其模块化设计支持灵活的材料选择与制备工艺，成为突破单结器件效率极限的重要途径。本文聚焦四端叠层电池的核心结构与多元配置（如PVK/Si、PVK/CIGS等），通过美能QE量子效率测试仪提供的关键数据解析其性能提升策略与挑战。

四端叠层电池的核心结构优势

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钙钛矿结构与四端叠层电池示意图(a) n-i-p结构;(b) p-i-n结构;(c) 四端叠层电池器件架构;(d) 效率演变;(e) 理论效率极限

 

四端结构中，宽带隙（WBG）钙钛矿顶电池与窄带隙（NBG）底电池通过机械堆叠实现电学隔离。顶电池采用n-i-p或p-i-n结构，底电池可为硅、CIGS、有机或钙钛矿材料。核心优势包括：

• 独立优化：子电池可分别选择最佳材料与工艺（如高温处理的n-i-p顶电池与低温底电池兼容）。
• 电流非匹配：无需电流匹配，拓宽带隙组合选择范围（如PVK/Si理论效率上限达46%）。
• 高稳定性：子电池独立运行，局部损坏不影响整体功能，降低系统失效风险。
• 光学管理：顶电池需高透光性（如DMSA处理降低表面粗糙度至10.5 nm，近红外透光率达83.94%），确保底电池有效吸光。

PVK/Si叠层电池

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四端钙钛矿/硅叠层电池性能与稳定性(a) 结构图；(b) 截面SEM图像；(c) 子电池J-V曲线；(d) 顶电池与底电池EQE光谱；(e) 1 cm²顶电池实物图；(f) 封装器件俯视与仰视图；(g) 效率稳定性

 

PVK/Si 叠层

 

结合了硅的高稳定性（市场占有率超 90%）与钙钛矿的高效光谱利用。

 

效率突破：结合硅异质结（SHJ）、TOPCon等技术，四端PVK/Si效率超30%。例如：

• 界面工程：研究表明，通过氢氟酸/紫外臭氧处理ITO表面，优化自组装单分子层（SAM）吸附，顶电池效率达22.9%，叠层效率30.3%。
• 稳定性提升：引入铷掺杂CsFAMA钙钛矿，未封装器件在42天昼夜循环后保持98%初始效率。

光学优化：采用AZO、IZRO等高透红外电极（如IZRO透光率比ITO高10%），并引入倒金字塔织构化玻璃降低反射损耗。

PVK/CIGS叠层电池

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四端钙钛矿/CIGS叠层电池性能(a) 层状结构；(b) 半透明钙钛矿顶电池J-V曲线；(c) 顶电池与滤波后CIGS底电池EQE光谱；(d) 钙钛矿带隙对叠层效率的模拟预测。

 

CIGS（带隙～1.0 eV）作为底部电池，与宽带隙钙钛矿形成理想光谱互补。效率记录：通过四阳离子钙钛矿（CsRbFAMA）与CIGS底电池结合，效率达23.9%。关键进展包括：

• 电极创新：开发多层电极（介质/金属/介质），提升透光性与导电性。
• 材料兼容性：移除MoOₓ缓冲层，避免溅射损伤，顶电池效率19.5%，叠层效率26.2%。

挑战：CIGS底电池红外响应受TCO寄生吸收限制（如AZO吸收率>3%），需优化电极设计。

PVK/有机叠层电池

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滴涂法制备CsPbI₂.₂₅Br₀.₇₅薄膜的性能(a) 均匀表面SEM图像；(b) 滴涂与旋涂器件的J-V曲线；(c) 半透明电池透光率；(d) 滤波后有机底电池J-V曲线；(f) 滤光对有机电池寿命的影响

 

有机太阳能电池（OSCs）的轻量、柔性特性与钙钛矿结合，适用于车载、可穿戴设备。效率潜力：通过CsPbI₂.₂Br₀.₂₅顶电池与PM6:Y6有机底电池结合，效率达22.34%。亮点包括：

• 紫外防护：钙钛矿顶电池作为紫外滤光层，延长有机电池寿命（120小时光照后效率保持86%）。
• 工艺创新：滴涂法提升钙钛矿薄膜均匀性，降低缺陷密度。

局限性：有机材料稳定性差，需开发耐氧化、高透光电极（如银纳米线 / PEDOT : PSS）。

全钙钛矿（PVK/PVK）叠层电池

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全钙钛矿四端叠层电池性能(a) 电池结构;(b) 半透明顶电池与滤波后底电池J-V曲线;(c) 各子电池EQE光谱;(d) 稳态功率输出

 

全钙钛矿叠层通过调整组分实现带隙匹配（顶部 1.67–1.75 eV，底部 0.80–1.20 eV），支持低温溶液处理和卷对卷制造。效率突破：通过DBSA添加剂调控WBG钙钛矿结晶取向，顶电池效率22.4%，叠层效率28.06%。关键策略包括：

• 带隙调控：Sn-Pb合金钙钛矿底电池带隙1.25 eV，与1.66 eV顶电池互补。
• 缺陷钝化：乙酰胆碱氯化物（ACh）修饰PEDOT:PSS界面，降低非辐射复合。

全钙钛矿四端叠层电池性能总结

挑战：Sn²⁺易氧化，需惰性气氛封装；窄带隙钙钛矿载流子寿命短（<20 ns）。四端钙钛矿叠层太阳能电池通过结构创新与材料协同，在效率和灵活性上展现出显著优势。在PVK/Si、PVK/CIGS等配置中实现超30%的效率突破，全钙钛矿叠层在低成本制造上潜力巨大，而新兴结构为红外光谱利用提供了新维度。

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

随着界面工程、材料改性和制造技术的进步，四端叠层有望成为下一代高效光伏技术的核心方向，推动可再生能源的大规模应用。美能QE量子效率测试仪将持续为叠层电池的光学优化与效率验证提供技术保障，加速实验室成果向产业化转化。

原文参考：Four-terminal perovskite tandem solar cells

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