低成本规模化的钙钛矿/硅叠层电池实现路径：从溶液法PBL加工到MPPT效率验证

最新推荐文章于 2026-01-07 16:24:09 发布

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钙钛矿/硅叠层电池可突破单结电池效率极限，但半透明顶电池（ST-PSC）的ITO溅射会引发等离子体损伤。传统ALD-SnO₂缓冲层因沉积速率慢、成本高制约产业化。本研究提出溶液法金属氧化物纳米颗粒缓冲层（PBL）替代方案，同步利用硅片切割后的本征粗糙度简化工艺，通过优化AZO-N21X缓冲层，结合动态旋涂工艺提升膜均匀性，并在单面抛光p型硅片（未抛光背面）上实现高效光捕获。

美能钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT在此作为标准测试流程的一部分，用于实时优化负载电阻，使电池始终工作在最大功率点（Pmax），从而准确记录稳态输出功率。最终获得25.3%的叠层效率（两步法钙钛矿），为工业化提供低成本路径。

缓冲层材料筛选

不同保护缓冲层（PBL）的不透明钙钛矿太阳能电池（PSC）的电池结构

研究团队开发了基于金属氧化物纳米颗粒的溶液处理缓冲层PBL，通过旋涂法制备，对比了 ZnO、AZO和 SnO₂三种纳米颗粒分散液。

（A）不同溶液处理缓冲层的钙钛矿电池在静态/动态涂覆下的功率转换效率统计分布；（B）采用不同溶液处理缓冲层和溅射ITO的半透明钙钛矿电池的功率转换效率

动态旋涂必要性：静态法导致溶剂与PCBM层过久接触，形成气泡状孔洞，降低填充因子（FF）；动态法减少相互作用时间，薄膜均匀性提升（如AZO N-21X的FF从静态73%→动态76%）。

（A）缓冲层紫外吸收；（B）PL淬灭率与晶粒尺寸；（C）XRD图谱

AZO N-21X表现最佳：

紫外屏蔽能力优异（UV区吸收率达20%）。

优先沿(002)晶面垂直生长，晶粒尺寸大，电荷传输效率高。

抗溅射损伤能力突出，光致发光淬灭率（PLQ）最低（0.1）。

硅底电池结构优化

抛光/未抛光硅片电池的EQE对比

采用正面抛光、背面未抛光的 P 型硅异质结（SHJ）电池作为底电池，利用硅片切割后的背面固有粗糙度（σₘₛ=241 nm）实现光捕获，无需额外纹理化步骤。实验显示，该结构比双面抛光硅片光电流提升约 0.6 mA/cm²，且 P 型硅片成本比 N 型低 8%-10%，兼顾性能与经济性。

半透明顶电池性能

基于 AZO N-21X 缓冲层的 ST-PSCs，通过动态旋涂法制备，PCE 达 18.1%，接近不透明参考电池的 18.4%，且开路电压（Voc）和填充因子（FF）表现优异，证明溶液处理缓冲层的有效性。

叠层电池集成

单片钙钛矿 / 硅叠层太阳能电池的结构示意图

叠层效率

（A）全溶液处理钙钛矿顶电池、（B）两步混合法钙钛矿顶电池的叠层电池 J-V 曲线（含最大功率点跟踪）；（C）（D）两类叠层电池的EQE光谱

将优化后的顶电池与 P 型硅底电池集成，制备出单结叠层电池，MPPT通过持续追踪稳态最大功率，规避了J-V扫描中正向/反向偏差带来的误差，提供更可靠的效率评估。

全溶液法钙钛矿顶电池叠层效率达 23.2%；

采用两步混合法（蒸发 PbI₂与 CsBr 后旋涂 FAI/MABr/MACl 溶液）制备的钙钛矿顶电池，叠层效率进一步提升至 25.3%，FF 接近 77%。

不同研究中全平面硅底钙钛矿 / 硅叠层电池的进展，及本研究中背面未抛光 / 正面抛光硅基叠层电池的效率（突出背面未抛光的性能提升）。

研究中采用未抛光背面硅片的叠层效率（25.3%）显著高于文献报道的全平面硅底电池（普遍<23%），证实背面粗糙度的光管理优势。

本文开发了溶液法AZO纳米颗粒缓冲层，有效防护钙钛矿/硅叠层电池中透明电极溅射损伤。该缓冲层使半透明钙钛矿顶电池效率达18.1%。结合前抛光/后未抛光的p型硅底电池，利用硅片天然粗糙背面增强光捕获，省去织构化工序。最终单片叠层电池效率达25.3%，为低成本规模化制备提供了新途径。