鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池因其高效率與低成本潛力受到廣泛關(guān)注。然而，使用具有微米級(jí)金字塔結(jié)構(gòu)（>2 μm）的工業(yè)織構(gòu)硅（ITS）基底時(shí)，空穴選擇層與鈣鈦礦層的均勻覆蓋成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)，導(dǎo)致界面復(fù)合損失嚴(yán)重。本研究提出一種新型疊層電池結(jié)構(gòu)，通過引入SiO?納米球構(gòu)建局部亞微米接觸，結(jié)合美能絨面反射儀對(duì)工業(yè)級(jí)絨面硅片上SiNx/SiON疊層反射率的原位統(tǒng)計(jì)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)ITS表面“冰山式”金字塔形貌的調(diào)控，所制備的疊層電池在1 cm2面積上實(shí)現(xiàn)了認(rèn)證效率33.15%，并展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

SiO?納米球構(gòu)筑“冰山結(jié)構(gòu)”

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絨面硅上SAMs 錨定及鈣鈦礦沉積的表征

為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量鈣鈦礦層的溶液法沉積，引入SiO?納米球作為介電填充材料，填充金字塔谷底，形成“冰山式”結(jié)構(gòu)。通過比較不同尺寸（20–500 nm）的SiO?納米球，發(fā)現(xiàn)100nm顆粒在填充效果與后續(xù)層覆蓋之間取得最佳平衡。

進(jìn)一步研究了常用SAM材料2PACz在不同基底上的覆蓋情況。AFM-IR和KPFM結(jié)果顯示，ITS上2PACz分布不連續(xù)，電勢(shì)分布不均；而經(jīng)SiO?調(diào)控后的ITS(SiO?)基底上，2PACz 覆蓋均勻，電勢(shì)分布顯著改善，有利于減少接觸損失。

鈣鈦礦沉積與結(jié)晶行為

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盡管2PACz改善了界面性質(zhì)，其在ITS上仍導(dǎo)致鈣鈦礦墨水去濕現(xiàn)象。引入SiO?后，鈣鈦礦覆蓋度顯著提升，晶體質(zhì)量與STS相當(dāng)。原位光致發(fā)光（PL）監(jiān)測(cè)顯示,ITS(SiO?) / 2PACz 上鈣鈦礦結(jié)晶后PL強(qiáng)度更高，表明非輻射復(fù)合被有效抑制。

載流子動(dòng)力學(xué)研究

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局部亞微米接觸的載流子動(dòng)力學(xué)特性

及不同絨面硅襯底的反射率光譜

通過電子束誘導(dǎo)電流（EBIC）成像和瞬態(tài)PL mapping，評(píng)估了局部接觸結(jié)構(gòu)下的載流子收集與擴(kuò)散行為。結(jié)果顯示，ITS(SiO?)上的鈣鈦礦頂電池具有與STS相當(dāng)?shù)妮d流子收集能力，計(jì)算得到的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度約為860 nm。基于此，通過仿真驗(yàn)證了隨著擴(kuò)散長(zhǎng)度增加，電池填充因子（FF）顯著提升，進(jìn)一步支持了局部接觸結(jié)構(gòu)的有效性。

光學(xué)性能優(yōu)化及電池效率

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光電調(diào)控下的疊層電池性能及效率

反射譜測(cè)試表明，SiO?的引入進(jìn)一步降低了ITS的反射損失，增強(qiáng)了光捕獲能力，SiO?納米球可能激發(fā)Mie共振模式，進(jìn)一步降低光學(xué)損失。

通過優(yōu)化SiO?濃度（最終確定為5 mg/mL），實(shí)現(xiàn)了高性能、高重復(fù)性的ITS(SiO?)疊層電池，平均效率達(dá)32.2%，優(yōu)于STS疊層（31.8%）。最佳實(shí)驗(yàn)室電池效率為32.57%（反向掃描），其Jsc、Voc和FF分別為20.66 mA/cm2、1.955 V和80.67%。

通過調(diào)節(jié)鈣鈦礦組分（降低溴含量，帶隙從1.68 eV降至1.66 eV），進(jìn)一步優(yōu)化了電流匹配，提升了整體電流輸出。最終，結(jié)合局部接觸結(jié)構(gòu)與帶隙調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)效率33.08%，認(rèn)證效率33.15%，是目前基于ITS的monolithic鈣鈦礦/硅疊層電池的最高效率。

鈣鈦礦/硅疊層電池穩(wěn)定性

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鈣鈦礦/硅疊層電池的SEM圖像、MPPT曲線

在ISOS標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試下，ITS(SiO?) 疊層電池在85°C / 85% RH條件下1100小時(shí)后仍保持86.7 %的初始效率，顯著優(yōu)于STS電池（81.8 %）。在80°C 持續(xù)光照MPPT測(cè)試中，ITS(SiO?)電池1000小時(shí)后仍保持91.7 %的效率，遠(yuǎn)高于STS的78.4 %，顯示出優(yōu)異的耐熱性與運(yùn)行穩(wěn)定性。

本研究通過SiO?納米球調(diào)控ITS表面形貌，構(gòu)建局部亞微米接觸，其中具有微米級(jí)（約2μm）金字塔結(jié)構(gòu)的工業(yè)絨面硅（ITS）更具優(yōu)勢(shì)，反射譜測(cè)試SiO?的引入降低了ITS的反射損失，增強(qiáng)了光捕獲能力，進(jìn)一步降低光學(xué)損失，成功實(shí)現(xiàn)了高性能、高穩(wěn)定性、與現(xiàn)有產(chǎn)線兼容的鈣鈦礦/硅疊層電池，最高認(rèn)證效率達(dá)33.15 %。該策略為解決工業(yè)織構(gòu)硅上的鈣鈦礦集成難題提供了可行路徑，推動(dòng)了疊層電池的商業(yè)化進(jìn)程。

美能絨面反射儀

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美能絨面反射儀RTIS通過漫反射激發(fā)電池片，然后通過8度角采用光譜儀檢測(cè)。RTIS具有定位的機(jī)臺(tái)和導(dǎo)軌，能夠方便而快速地送入樣品，實(shí)現(xiàn)電池片樣品的定位，提高使用人員的工作效率。

光譜測(cè)試范圍可達(dá)：350-1050nm

快速、自動(dòng)任意多點(diǎn)測(cè)量

每點(diǎn)測(cè)試速度約0.1s，檢測(cè)時(shí)間僅為傳統(tǒng)反射率的1/10

精準(zhǔn)測(cè)量反射率、膜厚等多項(xiàng)重要參數(shù)

美能絨面反射儀通過8°角漫反射激發(fā)+多點(diǎn)矩陣掃描，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦/硅疊層電池工業(yè)級(jí)絨面硅片上SiNx/SiON疊層反射率的原位統(tǒng)計(jì)測(cè)量，其快速無損檢測(cè)特性更推動(dòng)該成果從實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)線轉(zhuǎn)化。

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

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