浙江大学最新NC：效率高达33.15%，金字塔结构打造高效钙钛矿/硅叠层电池

 

钙钛矿/硅叠层太阳能电池因其高效率与低成本潜力受到广泛关注。然而，使用具有微米级金字塔结构（>2 μm）的工业织构硅（ITS）基底时，空穴选择层与钙钛矿层的均匀覆盖成为关键挑战，导致界面复合损失严重。本研究提出一种新型叠层电池结构，通过引入SiOₓ纳米球构建局部亚微米接触，结合美能绒面反射仪对工业级绒面硅片上SiNx/SiON叠层反射率的原位统计测量，实现对ITS表面“冰山式”金字塔形貌的调控，所制备的叠层电池在1 cm²面积上实现了认证效率33.15%，并展现出优异的稳定性。

SiOₓ纳米球构筑“冰山结构”

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绒面硅上SAMs 锚定及钙钛矿沉积的表征

为实现高质量钙钛矿层的溶液法沉积，引入SiOₓ纳米球作为介电填充材料，填充金字塔谷底，形成“冰山式”结构。通过比较不同尺寸（20–500 nm）的SiOₓ纳米球，发现100nm颗粒在填充效果与后续层覆盖之间取得最佳平衡。

 

进一步研究了常用SAM材料2PACz在不同基底上的覆盖情况。AFM-IR和KPFM结果显示，ITS上2PACz分布不连续，电势分布不均；而经SiOₓ调控后的 ITS(SiOₓ) 基底上，2PACz 覆盖均匀，电势分布显著改善，有利于减少接触损失。

钙钛矿沉积与结晶行为

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尽管2PACz改善了界面性质，其在ITS上仍导致钙钛矿墨水去湿现象。引入SiOₓ后，钙钛矿覆盖度显著提升，晶体质量与STS相当。原位光致发光（PL）监测显示,ITS(SiOₓ) / 2PACz 上钙钛矿结晶后PL强度更高，表明非辐射复合被有效抑制。

载流子动力学研究

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 局部亚微米接触的载流子动力学特性

及不同绒面硅衬底的反射率光谱

 

通过电子束诱导电流（EBIC）成像和瞬态PL mapping，评估了局部接触结构下的载流子收集与扩散行为。结果显示，ITS(SiOₓ)上的钙钛矿顶电池具有与STS相当的载流子收集能力，计算得到的载流子扩散长度约为860 nm。基于此，通过仿真验证了随着扩散长度增加，电池填充因子（FF）显著提升，进一步支持了局部接触结构的有效性。

光学性能优化及电池效率

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光电调控下的叠层电池性能及效率

 

反射谱测试表明，SiOₓ的引入进一步降低了ITS的反射损失，增强了光捕获能力，SiOₓ纳米球可能激发Mie共振模式，进一步降低光学损失。

 

 

通过优化SiOₓ浓度（最终确定为5 mg/mL），实现了高性能、高重复性的ITS(SiOₓ)叠层电池，平均效率达32.2%，优于STS叠层（31.8%）。最佳实验室电池效率为32.57%（反向扫描），其Jsc、Voc和FF分别为20.66 mA/cm²、1.955 V和80.67%。

 

 

通过调节钙钛矿组分（降低溴含量，带隙从1.68 eV降至1.66 eV），进一步优化了电流匹配，提升了整体电流输出。最终，结合局部接触结构与带隙调控，实现了稳态效率33.08%，认证效率33.15%，是目前基于ITS的monolithic钙钛矿/硅叠层电池的最高效率。

钙钛矿/硅叠层电池稳定性

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钙钛矿/硅叠层电池的SEM图像、MPPT曲线

 

在ISOS标准测试下，ITS(SiOₓ) 叠层电池在85°C / 85% RH条件下1100小时后仍保持86.7 %的初始效率，显著优于STS电池（81.8 %）。在80°C 持续光照MPPT测试中，ITS(SiOₓ) 电池1000小时后仍保持91.7 %的效率，远高于STS的78.4 %，显示出优异的耐热性与运行稳定性。

 

 

本研究通过SiOₓ纳米球调控ITS表面形貌，构建局部亚微米接触，其中具有微米级（约2μm）金字塔结构的工业绒面硅（ITS）更具优势，反射谱测试SiOₓ的引入降低了ITS的反射损失，增强了光捕获能力，进一步降低光学损失，成功实现了高性能、高稳定性、与现有产线兼容的钙钛矿/硅叠层电池，最高认证效率达33.15 %。该策略为解决工业织构硅上的钙钛矿集成难题提供了可行路径，推动了叠层电池的商业化进程。

美能绒面反射仪

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美能绒面反射仪RTIS通过漫反射激发电池片，然后通过8度角采用光谱仪检测。RTIS具有定位的机台和导轨，能够方便而快速地送入样品，实现电池片样品的定位，提高使用人员的工作效率。

光谱测试范围可达：350-1050nm

快速、自动任意多点测量

每点测试速度约0.1s，检测时间仅为传统反射率的1/10

精准测量反射率、膜厚等多项重要参数

 

 

美能绒面反射仪通过 8°角漫反射激发+多点矩阵扫描，实现钙钛矿/硅叠层电池工业级绒面硅片上SiNx/SiON叠层反射率的原位统计测量，其快速无损检测特性更推动该成果从实验室向产线转化。

原文参考：Iceberg-like pyramids in industrially textured silicon enabled 33% efficient perovskite-silicon tandem solar cells

 

 

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