三端结构（3T）实现效率30.1%：钙钛矿/硅叠层电池的带隙宽容性与能量产出提升

在光伏领域，钙钛矿/硅叠层太阳能电池因其突破单结电池效率极限的潜力而备受关注。然而，传统两端叠层电池由于子电池串联，必须严格匹配钙钛矿顶电池的带隙以实现电流匹配，这限制了材料选择的灵活性，并影响了电池的稳定性。三端叠层架构通过在传统两端结构的基础上引入第三个电极，有效解决了这一难题。美能QE量子效率测试仪可用于精确测量太阳电池的EQE与光谱响应，帮助优化界面工程和背接触设计，从而提升电池的量子效率和整体性能。

本研究首次将正面织构化的叉指背接触多晶硅氧化物钝化接触硅底电池集成到三端叠层电池中。该结构采用n型掺杂的前表面电子收集层（nPOLO），与p-i-n型钙钛矿顶电池形成串联连接。通过在正面引入亚微米级随机金字塔织构，既保证了长波光的吸收，又与钙钛矿溶液的湿法工艺兼容。背面保持平面结构，便于叉指背接触电极的制备。

实验方法

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硅底电池制备：n型FZ硅片，正面纳米织构，热氧化2.2 nm界面层，LPCVD沉积本征非晶硅，背面光刻掩模注入B/P形成叉指接触，高温退火形成POLO结，正面多晶硅减薄至35 nm，背面沉积AlOx/SiNy/SiOz钝化层，激光开孔，溅射ITO双层（5 nm高载流子种子层+15 nm透明层）。

钙钛矿顶电池：基片清洗后，RF溅射15 nmNiOx，旋涂2PACzSAM层，1.7 M前驱体溶液旋涂，反溶剂为乙酸乙酯，退火后蒸镀C60/BCP/Cu。

表征与模拟：采用双源测量单元进行迭代最大功率点追踪，子电池电压和电流同步监测。外量子效率测试用于验证短路电流密度。年能量产出基于TMY3气象数据，结合光学传递矩阵模型和双二极管电路模型进行模拟计算。

电池设计与测量方法

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电池结构

（a）3T叠层太阳能电池的电池结构（b）2T和3T结构的相应等效电路（c）迭代测量循环的示意图（d–f）3T架构的示意图（g）横截面SEM图像（h）冠军3T叠层电池的顶电池和底电池的电流-电压特性，以及2T叠层电池的结果（i）叠层电池中钙钛矿和硅子电池的相应外量子效率光谱，以及对应子电池的积分JSC

硅底电池采用n型晶圆，正面为电子收集的nPOLO钝化接触，背面则是叉指分布的pPOLO和nPOLO接触点。这种设计的巧妙之处在于：正面亚微米级的随机金字塔织构既保证了长波光俘获，又兼容后续钙钛矿的溶液法沉积；背面保持平整，避免了IBC结构背面制绒的工艺难题。钙钛矿顶电池采用p-i-n结构，通过ITO复合层与底电池形成串联连接。

3T测量原理

3T电池的三个端口分别定义为：T（顶电池顶电极，电子选择）、Z（底电池正面nPOLO，电子选择）、R（底电池背面pPOLO，空穴选择）。关键区别在于引入了第三条支路和对应的电阻RB，当上下子电池电流失配时，多余或缺失的电流可以通过Z端进出，确保两个子电池始终工作在各自的最大功率点。

测量采用迭代方法：首先在R端开路时测量T-Z的VMPP，然后固定T-Z电压测量R-Z的VMPP，重复至收敛。总效率为两个子电池效率之和。

实验结果与讨论

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冠军电池性能

电池性能与迭代MPP

采用带隙1.58 eV的钙钛矿（Cs0.05MA0.22FA0.73Pb(I0.90Br0.10)3），顶电池效率达到21.5%，底电池效率8.6%，3T总效率30.1%。相比之下，同一电池在2T模式下仅测得24.6%的效率，直观展示了电流失配对2T电池的限制。SEM截面图显示，钙钛矿层均匀覆盖亚微米织构，保证了良好的界面接触。

带隙灵活性验证

（a-c）2T和3T叠层太阳能电池中每个子电池的光伏参数（d-f）对于五种不同钙钛矿带隙，硅和钙钛矿子电池以及相应2T叠层电池的电流-电压曲线（g-i）未封装的子电池和2T叠层电池在空气中进行10分钟最大功率点跟踪

为验证3T架构的带隙容忍度，研究制备了五种带隙从1.52 eV到1.73 eV的电池，钝化层改用稳定性更佳的LiF。结果清晰表明：

2T电池性能对带隙高度敏感：随着带隙增加，硅底电池JSC上升（更多光透过），钙钛矿顶电池JSC下降（吸收减少），综合效率从低带隙的不足20%升至1.73 eV时的约24%。这与电流匹配原理一致，宽带隙更接近匹配点。

3T电池性能基本不随带隙变化：两个子电池独立贡献，总效率稳定在27-28%区间（略低于冠军电池，因LiF钝化效果略逊于PDAI2）。

这意味着3T架构彻底摆脱了电流匹配束缚，可以采用稳定性更好的1.5 eV级FAPbI3等材料，而不必牺牲效率。

稳定性初步观察

结果显示硅底电池几乎无衰减，钙钛矿顶电池则出现不同程度的衰减，且带隙越高（Br含量越高）衰减越快。但有趣的是，2T电池的衰减速率介于两者之间，说明硅子电池在一定程度上补偿了整体的功率损失。

年能量产出模拟

（a）不同地点2T和3T太阳能电池的模拟年能量产出（b）在最晴朗地点和最阴雨地点，2T和3T太阳能电池的年能量产出随带隙变化的关系（c）在凤凰城地区，对于带隙为1.73 eV的钙钛矿层，3T太阳能电池中RZ和RT电路的功率输出曲线

为了将光谱变化和时间尺度纳入考量，研究采用耦合光学-电学-能量模型，基于TMY3气象数据模拟了全美七个典型气候区的年能量产出。关键发现如下：

在电流匹配最佳点（1.73 eV），3T在所有地区均优于2T，但优势幅度因地而异。阳光直射为主的凤凰城优势最明显（546 vs 513 kWh/m²/a），阴雨为主西雅图差异极小（329 vs 327）。

当带隙偏离匹配点（如降至1.56 eV），2T损失急剧增加，3T优势放大。凤凰城差距从9增至89.5 kWh/m²/a；西雅图从2增至40。说明越晴朗、光谱变化越剧烈的地区，3T的优势越突出。

进一步揭示了3T的工作机制：全年大部分时间主回路TR供电，当出现电流失配时，RZ回路启动补偿（PRZ>0时提取多余电流，PRZ<0时注入缺失电流），确保整体输出最大化。

本研究首次实现了正面织构POLO-IBC硅底电池的3T钙钛矿/硅叠层电池，实验证实30.1%的效率与带隙解耦。2T架构的电流匹配约束在3T中被彻底消除，使稳定性更优的低带隙钙钛矿得以应用。能量产出模拟进一步表明，3T在实际户外条件下，尤其是在晴朗、高辐照地区，具有显著的年度发电优势。该工作为叠层电池的材料选择和实际部署提供了新的技术路径。

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

原文参考：Enhanced Bandgap Flexibility in Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells via Three-Terminal Architecture

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