迈向40%效率：新兴四端钙钛矿叠层电池从结构优化到性能提升的技术探索

四端（4T）钙钛矿叠层太阳能电池（TSCs）通过独立优化子电池的能带隙和光吸收范围，显著提升了光能转化效率（PCE）。随着传统钙钛矿/硅（PVK/Si）和钙钛矿/铜铟镓硒（PVK/CIGS）叠层结构的效率逐渐接近理论极限，研究人员开始探索基于量子点（QD）、碲化镉（CdTe）、染料敏化（DSSC）及III-V半导体等新兴材料的4T叠层架构。这些新型设计通过拓宽光谱吸收范围、借助美能钙钛矿大面积透射率测试仪的高精度检测进行光谱优化降低光学损耗或提升材料稳定性，为下一代高效光伏技术开辟了全新方向。

钙钛矿/量子点叠层电池 

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钙钛矿量子点（PQDs）在太阳能电池与光催化中的应用

 

量子点（QDs）因其尺寸可调的能带隙（0.4–2.0 eV）和强红外吸收能力，成为叠层电池中理想的底部电池材料。例如，硫化铅（PbS）胶体量子点（CQDs）的能带隙约为0.95 eV，可高效吸收钙钛矿顶部电池未利用的低能光子（>1000 nm）。技术突破：

• 能带工程： 通过调控量子点尺寸，实现与宽禁带钙钛矿顶部电池（WBG, 1.6–1.8 eV）的能带互补。例如，CsPbI₃Br钙钛矿顶部电池与PbS QD底部电池的4T叠层效率达26.12%。
• 透明电极优化： 采用磁控溅射和反应等离子体沉积（RPD）技术修饰氧化铟锡（ITO）电极，降低近红外（NIR）寄生吸收，提升QD电池的载流子提取效率。

挑战：量子点表面缺陷导致的非辐射复合仍需通过钝化策略（如铝掺杂氧化锌（AZO）电子传输层）进一步改善。

钙钛矿/碲化镉叠层电池  

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CdTe/钙钛矿叠层太阳能电池结构示意图

 

CdTe太阳能电池凭借成熟的商业化生产和高稳定性，成为叠层结构的理想底部电池。其能带隙（~1.5 eV）与宽禁带钙钛矿（~1.77 eV）形成互补，可覆盖可见光至近红外光谱。技术突破：

• 界面工程： 铟锌氧化物（IZO）界面层减少欧姆损耗，WBG钙钛矿电池效率达19.26%，4T叠层效率突破23%。
• 光学模拟： SCAPS软件模拟表明，通过优化钙钛矿厚度和减少反射损失，4T叠层的理论效率可超过40%。

挑战： CdTe与钙钛矿的热膨胀系数差异需通过柔性基底或缓冲层设计缓解。

钙钛矿/染料敏化叠层电池  

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4T钙钛矿/DSSC叠层结构示意图

 

染料敏化太阳能电池（DSSCs）的低成本、弱光响应特性使其在建筑一体化光伏（BIPV）中潜力巨大。4T架构通过光谱分光技术将可见光分配给钙钛矿顶部电池，近红外光由DSSC吸收。技术突破：

• 染料设计： 采用钌基染料（如N719、DX2/DX3）将DSSC的吸收边扩展至1100 nm，4T叠层效率达21.5%。
• 透明电极： PEDOT-PSS/银纳米线（Ag NWs）电极实现700–1100 nm高透光率，柔性DSSC效率达3.6%。

挑战：DSSC的长期稳定性受限于电解质泄漏、染料光降解及封装技术不足。

钙钛矿/III-V半导体叠层电池  

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通过GaAsP顶电池与Si底电池的叠层设计

 

III-V半导体（如砷化镓GaAs）的高载流子迁移率和完美能带匹配为4T叠层提供了超高效率潜力。例如，钙钛矿/GaAs 4T叠层效率达25.19%，柔性薄膜结构在1000次弯折后仍保持24.32%效率。技术突破：

• 材料替代：探索铜钡锡硫（Cu₂BaSnS₄）和锑硫硒（Sb₂(S,Se)₃）等无铅材料，兼顾环保与高效。
• 界面优化：Fe₂O₃空穴传输层提升钙钛矿/GaAs叠层的开路电压至1.87 V。

挑战：III-V半导体的高制造成本限制了其大规模应用。新兴4T钙钛矿叠层技术通过材料创新和结构设计，突破了传统叠层电池的效率瓶颈。钙钛矿/量子点（PVK/QD）叠层电池、钙钛矿/碲化镉（PVK/CdTe）叠层电池、钙钛矿/染料敏化（PVK/DSSC）叠层电池和钙钛矿/III-V半导体叠层电池的引入，不仅拓宽了光谱响应范围，还提升了电池的环境适应性和成本效益。

美能钙钛矿大面积透射率测试仪

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专为钙钛矿光伏产线工艺段设计的高精度光学检测设备。通过精准测量样品透射光强，快速计算材料透过率，为钙钛矿镀膜、结晶等关键工艺提供实时数据反馈，助力提升量产良率与效率一致性。

• 超大测试平台：标配1500×900mm大面积载物台（支持定制）
• 宽光谱高精度：覆盖380nm~1100nm光谱范围，透射率测量精度达0.01%，单点重复性误差＜0.1%
• 智能高效：自动化测量流程，可快速实现整面6点或9点测量

结合美能钙钛矿大面积透射率测试仪等先进工具，未来研究需聚焦于材料稳定性提升、大规模制备工艺优化及全生命周期环境影响评估，以加速这一技术从实验室走向市场。

原文参考：Four-terminal perovskite tandem solar cells

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