四端（4T）鈣鈦礦疊層太陽能電池（TSCs）通過獨(dú)立優(yōu)化子電池并規(guī)避電流匹配限制，展現(xiàn)出顯著效率優(yōu)勢。其模塊化設(shè)計支持靈活的材料選擇與制備工藝，成為突破單結(jié)器件效率極限的重要途徑。本文聚焦四端疊層電池的核心結(jié)構(gòu)與多元配置（如PVK/Si、PVK/CIGS等），通過美能QE量子效率測試儀提供的關(guān)鍵數(shù)據(jù)解析其性能提升策略與挑戰(zhàn)。

四端疊層電池的核心結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

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鈣鈦礦結(jié)構(gòu)與四端疊層電池示意圖(a) n-i-p結(jié)構(gòu);(b) p-i-n結(jié)構(gòu);(c) 四端疊層電池器件架構(gòu);(d) 效率演變;(e) 理論效率極限

四端結(jié)構(gòu)中，寬帶隙（WBG）鈣鈦礦頂電池與窄帶隙（NBG）底電池通過機(jī)械堆疊實現(xiàn)電學(xué)隔離。頂電池采用n-i-p或p-i-n結(jié)構(gòu)，底電池可為硅、CIGS、有機(jī)或鈣鈦礦材料。核心優(yōu)勢包括：

• 獨(dú)立優(yōu)化：子電池可分別選擇最佳材料與工藝（如高溫處理的n-i-p頂電池與低溫底電池兼容）。
• 電流非匹配：無需電流匹配，拓寬帶隙組合選擇范圍（如PVK/Si理論效率上限達(dá)46%）。
• 高穩(wěn)定性：子電池獨(dú)立運(yùn)行，局部損壞不影響整體功能，降低系統(tǒng)失效風(fēng)險。
• 光學(xué)管理：頂電池需高透光性（如DMSA處理降低表面粗糙度至10.5 nm，近紅外透光率達(dá)83.94%），確保底電池有效吸光。

PVK/Si疊層電池

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四端鈣鈦礦/硅疊層電池性能與穩(wěn)定性(a) 結(jié)構(gòu)圖；(b) 截面SEM圖像；(c) 子電池J-V曲線；(d) 頂電池與底電池EQE光譜；(e) 1 cm2頂電池實物圖；(f) 封裝器件俯視與仰視圖；(g) 效率穩(wěn)定性

PVK/Si 疊層

結(jié)合了硅的高穩(wěn)定性（市場占有率超 90%）與鈣鈦礦的高效光譜利用。

效率突破：結(jié)合硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）、TOPCon等技術(shù)，四端PVK/Si效率超30%。例如：

• 界面工程：研究表明，通過氫氟酸/紫外臭氧處理ITO表面，優(yōu)化自組裝單分子層（SAM）吸附，頂電池效率達(dá)22.9%，疊層效率30.3%。
• 穩(wěn)定性提升：引入銣摻雜CsFAMA鈣鈦礦，未封裝器件在42天晝夜循環(huán)后保持98%初始效率。

光學(xué)優(yōu)化：采用AZO、IZRO等高透紅外電極（如IZRO透光率比ITO高10%），并引入倒金字塔織構(gòu)化玻璃降低反射損耗。

PVK/CIGS疊層電池

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四端鈣鈦礦/CIGS疊層電池性能(a) 層狀結(jié)構(gòu)；(b) 半透明鈣鈦礦頂電池J-V曲線；(c) 頂電池與濾波后CIGS底電池EQE光譜；(d) 鈣鈦礦帶隙對疊層效率的模擬預(yù)測。

CIGS（帶隙～1.0 eV）作為底部電池，與寬帶隙鈣鈦礦形成理想光譜互補(bǔ)。效率記錄：通過四陽離子鈣鈦礦（CsRbFAMA）與CIGS底電池結(jié)合，效率達(dá)23.9%。關(guān)鍵進(jìn)展包括：

• 電極創(chuàng)新：開發(fā)多層電極（介質(zhì)/金屬/介質(zhì)），提升透光性與導(dǎo)電性。
• 材料兼容性：移除MoO?緩沖層，避免濺射損傷，頂電池效率19.5%，疊層效率26.2%。

挑戰(zhàn)：CIGS底電池紅外響應(yīng)受TCO寄生吸收限制（如AZO吸收率>3%），需優(yōu)化電極設(shè)計。

PVK/有機(jī)疊層電池

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滴涂法制備CsPbI?.??Br?.??薄膜的性能(a) 均勻表面SEM圖像；(b) 滴涂與旋涂器件的J-V曲線；(c) 半透明電池透光率；(d) 濾波后有機(jī)底電池J-V曲線；(f) 濾光對有機(jī)電池壽命的影響

有機(jī)太陽能電池（OSCs）的輕量、柔性特性與鈣鈦礦結(jié)合，適用于車載、可穿戴設(shè)備。效率潛力：通過CsPbI?.?Br?.??頂電池與PM6:Y6有機(jī)底電池結(jié)合，效率達(dá)22.34%。亮點(diǎn)包括：

• 紫外防護(hù)：鈣鈦礦頂電池作為紫外濾光層，延長有機(jī)電池壽命（120小時光照后效率保持86%）。
• 工藝創(chuàng)新：滴涂法提升鈣鈦礦薄膜均勻性，降低缺陷密度。

局限性：有機(jī)材料穩(wěn)定性差，需開發(fā)耐氧化、高透光電極（如銀納米線 / PEDOT : PSS）。

全鈣鈦礦（PVK/PVK）疊層電池

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全鈣鈦礦四端疊層電池性能(a) 電池結(jié)構(gòu);(b) 半透明頂電池與濾波后底電池J-V曲線;(c) 各子電池EQE光譜;(d) 穩(wěn)態(tài)功率輸出

全鈣鈦礦疊層通過調(diào)整組分實現(xiàn)帶隙匹配（頂部 1.67–1.75 eV，底部 0.80–1.20 eV），支持低溫溶液處理和卷對卷制造。效率突破：通過DBSA添加劑調(diào)控WBG鈣鈦礦結(jié)晶取向，頂電池效率22.4%，疊層效率28.06%。關(guān)鍵策略包括：

• 帶隙調(diào)控：Sn-Pb合金鈣鈦礦底電池帶隙1.25 eV，與1.66 eV頂電池互補(bǔ)。
• 缺陷鈍化：乙酰膽堿氯化物（ACh）修飾PEDOT:PSS界面，降低非輻射復(fù)合。

全鈣鈦礦四端疊層電池性能總結(jié)

挑戰(zhàn)：Sn2?易氧化，需惰性氣氛封裝；窄帶隙鈣鈦礦載流子壽命短（<20 ns）。四端鈣鈦礦疊層太陽能電池通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與材料協(xié)同，在效率和靈活性上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。在PVK/Si、PVK/CIGS等配置中實現(xiàn)超30%的效率突破，全鈣鈦礦疊層在低成本制造上潛力巨大，而新興結(jié)構(gòu)為紅外光譜利用提供了新維度。

美能QE量子效率測試儀

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美能QE量子效率測試儀可以用來測量太陽能電池的光譜響應(yīng)，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應(yīng)偏低區(qū)域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測量范圍、測試的準(zhǔn)確性和可追溯性等優(yōu)勢。

兼容所有太陽能電池類型，滿足多種測試需求

光譜范圍可達(dá)300-2500nm，并提供特殊化定制

氙燈+鹵素?zé)?/span>雙光源結(jié)構(gòu)，保證光源穩(wěn)定性

隨著界面工程、材料改性和制造技術(shù)的進(jìn)步，四端疊層有望成為下一代高效光伏技術(shù)的核心方向，推動可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用。美能QE量子效率測試儀將持續(xù)為疊層電池的光學(xué)優(yōu)化與效率驗證提供技術(shù)保障，加速實驗室成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化。

原文參考：Four-terminal perovskite tandem solar cells

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