鈣鈦礦/硅串聯(lián)電池是突破硅單結(jié)效率極限（29.5%）的理想方案，但工業(yè)硅片表面粗糙性導(dǎo)致的漏電問題亟待解決。本研究提出一種新型復(fù)合結(jié)設(shè)計(jì)，利用n摻雜C??與p摻雜TaTm的有機(jī)異質(zhì)結(jié)，通過低橫向?qū)щ娦宰钄嗦╇?，并結(jié)合Suns-VOC選擇性光照與美能QE量子效率測試儀的外量子效率（EQE）分析，系統(tǒng)驗(yàn)證其在抑制漏電與提升效率中的關(guān)鍵作用。

實(shí)驗(yàn)方法

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• 串聯(lián)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

串聯(lián)堆疊結(jié)構(gòu)

雙端串聯(lián)電池采用倒置發(fā)射極結(jié)構(gòu)的硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）底電池（n型CZ硅片）與p-i-n型鈣鈦礦頂電池串聯(lián)。復(fù)合結(jié)設(shè)計(jì)包括三種方案：

• 傳統(tǒng)ITO-RJ：20 nm ITO層沉積于非晶硅（a-Si:H(n)層上；
• 超薄ITO-RJ：5 nm ITO層；
• 有機(jī)n-n-p-RJ：n摻雜C60層（通過PhIm共蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)n型摻雜）與p摻雜TaTm層（F6-TCNNQ氧化摻雜）結(jié)合。

• 材料制備與表征

鈣鈦礦層：采用三源共蒸發(fā)法制備Cs0.2FA0.8Pb(I0.8Br0.2)3（帶隙1.66 eV），通過XRD和吸收光譜驗(yàn)證晶體質(zhì)量。電荷傳輸層：空穴傳輸層（HTL）為TaTm/F6-TCNNQ復(fù)合結(jié)構(gòu)，電子傳輸層（ETL）為C60/SnO2雙層。電學(xué)測試：利用LED光源太陽模擬器測量J-V曲線，霍爾效應(yīng)測試驗(yàn)證C60的n型特性。

SEM圖像

形貌分析：SEM圖像顯示鈣鈦礦層對(duì)硅金字塔結(jié)構(gòu)的共形覆蓋，局部未覆蓋區(qū)域?qū)е聜鹘y(tǒng)ITO-RJ器件完全短路。

電性能分析

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J-V特性曲線電性能參數(shù)

• 傳統(tǒng)ITO-RJ器件（20 nm）：J-V曲線呈現(xiàn)單結(jié)硅電池特性（JSC≈18 mA/cm2，VOC≈0.7 V），表明鈣鈦礦頂電池完全短路。
• 超薄ITO-RJ器件（5 nm）：VOC提升至1.65 V，但填充因子（FF）僅55%，仍存在顯著漏電流。
• 有機(jī)n-n-p-RJ器件：VOC達(dá)1.84 V，F(xiàn)F提升至70%，PCE突破22%。有機(jī)層的低橫向?qū)щ娦杂行Ц綦x局部短路路徑，暗態(tài)J-V曲線顯示其具有更高的并聯(lián)電阻。

EQE分析

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(a) 外量子效率（EQE）測試；(b) EQE異常現(xiàn)象的機(jī)制解釋

外量子效率（EQE）測試采用鹵素光源結(jié)合光偏置技術(shù)，通過波長選擇性濾光片（550 nm短通與850 nm長通）分別飽和底電池與頂電池的光電流。測試中，通過電壓偏置（約0.6 V或1.0 V）確保被測子電池處于短路狀態(tài)，避免反向偏壓導(dǎo)致的電流損失。

• 5 nm ITO-RJ器件：鈣鈦礦頂電池在紅外區(qū)（>760 nm）出現(xiàn)顯著寄生響應(yīng)，其積分電流中約2.13 mA/cm2源自底電池電流通過頂電池漏電路徑。該現(xiàn)象表明頂電池并聯(lián)電阻（Rsh）過低，導(dǎo)致子電池間電流耦合。
• 有機(jī)n-n-p-RJ器件：紅外區(qū)寄生響應(yīng)完全消除，EQE曲線在可見光區(qū)（300–780 nm）積分電流達(dá)16.90 mA/cm2，經(jīng)柵線陰影校正后（校正因子0.89）與J-V結(jié)果（17.8 mA/cm2）高度吻合。

ITO-RJ的高橫向?qū)щ娦裕?×10-3S/cm）使局部短路路徑形成連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致底電池光生電流通過頂電池漏電。而有機(jī)RJ的橫向?qū)щ娦裕▇10-4S/cm）顯著抑制漏電路徑的連通性，阻斷電流耦合，從而提升頂電池的獨(dú)立工作性能。ITO復(fù)合結(jié)存在寄生響應(yīng)，有機(jī)復(fù)合結(jié)無分流。

選擇性光照分析-VOC量化

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選擇性光照下的Suns-VOC曲線通過450 nm藍(lán)光激光（激發(fā)頂電池）與910 nm紅外激光（激發(fā)底電池）選擇性照明，測量器件開路電壓（VOC）隨光強(qiáng)的變化規(guī)律。理想情況下，VOC與光強(qiáng)呈對(duì)數(shù)關(guān)系，而線性響應(yīng)則表明存在顯著漏電。

• 5 nm ITO-RJ器件：頂電池VOC隨光強(qiáng)線性增加，表明漏電流主導(dǎo)電荷輸運(yùn)。底電池VOC在1 sun等效光強(qiáng)下僅0.61 V，低于原始硅片隱含VOC（0.744 V），歸因于切割損傷與鈣鈦礦濾光效應(yīng)。
• 有機(jī)n-n-p-RJ器件：頂電池VOC呈現(xiàn)對(duì)數(shù)型光強(qiáng)依賴，符合理想二極管特性，且底電池VOC貢獻(xiàn)量（0.62 V）與串聯(lián)器件總VOC（1.84 V）匹配，驗(yàn)證了復(fù)合結(jié)的電荷高效復(fù)合能力，有機(jī)復(fù)合結(jié)使鈣鈦礦子電池符合理想二極管行為。

研究結(jié)果表明，這種由n型摻雜的C60層和p型摻雜的芳胺層（TaTm）組成的全有機(jī)重組結(jié)，能夠顯著減輕頂電池中的分流效應(yīng)，從而提高電池的開路電壓（VOC）和填充因子（FF），最終實(shí)現(xiàn)了超過22%的轉(zhuǎn)換效率。此外，通過外部量子效率（EQE）測量和選擇性照明的Suns-VOC測量，我們進(jìn)一步證實(shí)了全有機(jī)重組結(jié)在提高電池性能方面的優(yōu)勢。

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)綦p光源結(jié)構(gòu)，保證光源穩(wěn)定性

進(jìn)一步優(yōu)化電荷傳輸層摻雜工藝與界面工程，有望實(shí)現(xiàn)更高效率的工業(yè)化雙端串聯(lián)電池。美能QE量子效率測試儀憑借其高精度光譜響應(yīng)測量與雙光源穩(wěn)定性，為EQE分析與漏電路徑診斷提供了可靠技術(shù)支撐，助力多結(jié)太陽能電池的缺陷定位與性能優(yōu)化。

原文參考：Molecular Recombination Junction for Vacuum-Deposited Perovskite/Silicon TwoTerminal Tandem Solar Cells

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