一文看懂晶硅/钙钛矿叠层电池：从两端到四端的结构类型、设计原理与未来展望

太阳能作为清洁能源的核心载体，其高效转换技术对解决能源危机和环境问题至关重要。目前，晶硅（c-Si）太阳能电池凭借成熟的制造工艺、高可靠性和环境友好性，占据全球光伏市场95%以上的份额，实验室效率已突破26%。然而，这一数值仍低于单结器件的肖克利-奎塞尔（Shockley-Queisser, SQ）理论极限（33.15%）。叠层电池通过结合不同带隙材料实现光谱分段吸收，成为突破效率瓶颈的重要方向。

2-T与4-T晶硅/钙钛矿叠层电池效率演变

 

钙钛矿太阳能电池（PSCs）的快速发展（效率从2009年的3.81%提升至2021年的25.7%），因其溶液可加工性、带隙可调性及优异的光电特性，成为与晶硅理想匹配的叠层材料。通过合理设计带隙匹配并结合美能QE量子效率测试仪对光谱响应的精准测量，叠层电池能够更高效地利用太阳光谱，提升光电转换效率。本文将系统解析晶硅/钙钛矿叠层电池的类型及其设计原理。

两端（2-T）单片集成结构

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晶硅/钙钛矿叠层电池两端单片集成结构

 

结构特点：两端结构中，钙钛矿顶电池与晶硅底电池通过复合结或中间界面层直接串联。顶电池吸收高能光子（短波长），底电池吸收透过顶电池的低能光子（长波长），两者共享电极，仅需两个外接端口。设计原理：

• 光谱分段利用：通过带隙匹配实现宽光谱覆盖，理论上可突破单结效率极限。
• 电流匹配要求：两子电池串联连接，需严格匹配光生电流。理想情况下，钙钛矿顶电池带隙需控制在1.7-1.8 eV，但对光谱变化的敏感性较高。

优势与挑战：

• 优势：成本低、易于集成，适合光伏模组化应用。
• 挑战：电流匹配难度大，需精确调控钙钛矿带隙；顶电池制备工艺复杂（需在底电池表面沉积，易损伤底层）；透明导电层需兼顾高导电性与透光性。

四端（4-T）结构

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四端结构中，钙钛矿顶电池与晶硅底电池光学耦合但电学独立，各自拥有独立电极，可分别优化。根据实现方式分为三类：

• 机械堆叠 

晶硅/钙钛矿叠层电池四终端机械堆叠结构

 

特点：两个子电池垂直堆叠，光学耦合且电学独立，每个子电池拥有独立的电极。优势：带隙选择更灵活（钙钛矿Eg可扩展至1.6-2.0 eV），降低对光谱变化的敏感度。挑战：需多个透明电极，可能增加寄生吸收；电缆与最大功率点跟踪器增多导致成本上升。

• 光学分光

晶硅/钙钛矿叠层电池四终端光学分光结构

 

原理：采用二色镜将高能量光子导向钙钛矿子电池，低能量光子导向硅子电池。优势：无需额外透明电极。限制：光学分光器成本过高，经济性不足。

• 反射设计

晶硅/钙钛矿叠层电池四终端反射设计

 

特点：通过弯曲排列与二色镜反射光线，提升制造与集成灵活性。应用：适用于太阳能热收集技术。不足：对散射光的收集效率较低。

• 4-T结构核心优势：

独立优化：子电池带隙选择灵活，无需电流匹配。工艺解耦：顶/底电池可分开制备，避免高温工艺对钙钛矿的损伤。光管理优化：采用二向色镜或反射设计提升光谱利用率。

三端（3-T）混合结构

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三端晶硅/钙钛矿叠层太阳能电池结合了两端和四端结构的优势。通过叉指背接触（Interdigitated Back Contact, IBC）硅电池实现部分电路独立。

• 潜力：兼顾低成本与设计灵活性。
• 现状：工艺复杂度较高，尚未广泛采用。

晶硅/钙钛矿叠层太阳能电池作为一种极具潜力的新型光伏技术，具有显著的优势和广阔的应用前景。其通过结合晶硅和钙钛矿材料的特性，能够有效突破单结太阳能电池的效率极限。

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

随着技术的进步和应用范围的扩大，晶硅/钙钛矿叠层太阳能电池有望在全球能源领域发挥越来越重要的作用，为实现清洁能源的广泛应用和环境保护目标提供有力支持。美能QE量子效率测试仪将为叠层电池的研发和生产提供有力支持，推动该技术的快速发展。

原文参考：Review on two-terminal and four-terminalcrystalline-silicon/perovskite tandem solar cells;progress, challenges, and future perspectives

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