效率达31.72%！无铟复合层助力钙钛矿/晶硅叠层电池，MPPT运行1500小时后效率保持率超80%

单片钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的性能受到两子电池之间复合连接层的光学损耗、接触电阻和界面质量限制。常用氧化铟锡（ITO）和氧化铟锌（IZO）含铟；掺杂硅隧穿结则涉及高温工艺，并可能引入寄生吸收。美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。

本文采用反应磁控溅射制备无铟钽氧氮化物（TaOₓNᵧ），并通过自组装单分子层（SAM）调控界面能级与钙钛矿结晶。器件最高转换效率为31.78%，认证效率为31.72%；连续最大功率点跟踪1500小时后，仍保持超过80%的初始效率。

实验方法

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无铟 TaOₓNᵧ 复合连接层使叠层太阳能电池实现了 31.72%的认证光电转换效率

研究使用电阻率为1 Ω·cm、厚度为120 μm的n型直拉硅片制备硅异质结（SHJ）底电池。硅片经过NaOH刻蚀、制绒和RCA标准清洗后，在正反两面沉积5 nm本征氢化非晶硅钝化层，温度为200℃；随后制备24 nm n型纳米晶硅氧化物和30 nm p型纳米晶硅层，并形成ITO背电极和银电极。TaOₓNᵧ通过反应磁控溅射沉积，Ar/N₂流量比为19:1，功率为100 W，工作气压为0.20 Pa；ITO作为参照复合连接层。薄膜厚度通过溅射时间调节，沉积后在空气中于200℃退火30分钟。

复合连接层上旋涂4PADCB与MeO-4PACz混合SAM，摩尔比为4:1，浓度为1 mg/mL，随后在100℃退火10分钟。钙钛矿顶电池采用Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅Br₀.₂₅)₃配方，前驱体浓度为1.7 M，以N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜（DMSO）为溶剂。薄膜先以2700 rpm旋涂55秒，再以4700 rpm旋涂10秒，并在第二阶段结束前10秒滴加400 μL乙酸乙酯，随后在100℃退火20分钟；之后旋涂哌嗪鎓碘化物（PipI），在100℃退火10分钟并以异丙醇冲洗。器件依次沉积10 nm C₆₀、12 nm SnO₂缓冲层、45 nm IZO透明电极、600 nm银电极和100 nm MgF₂减反射层，有效面积为1 cm²。

研究采用X射线光电子能谱（XPS）、紫外光电子能谱（UPS）、掠入射广角X射线散射（GIWAXS）、X射线衍射（XRD）、稳态光致发光（PL）、时间分辨光致发光（TRPL）、光致发光量子产率（PLQY）、开尔文探针力显微镜（KPFM）和扫描电子显微镜（SEM）表征薄膜、界面与器件结构，并通过电流密度－电压（J–V）、外量子效率（EQE）和最大功率点跟踪（MPPT）评估器件性能。J–V在室温下测试，扫描范围为−0.1至2.0 V，共200个测试点，使用AM1.5G模拟光谱，并以认证参考电池校准。测量顶电池EQE时采用850 nm近红外偏置光，测量硅底电池时采用455 nm蓝光偏置光。器件封装在两片玻璃之间，并进行铜带引线和真空层压。能带模拟采用一维太阳能电池电容模拟器（SCAPS-1D），分子吸附机制通过密度泛函理论（DFT）计算分析。

TaOₓNᵧ的光电性能与界面能级

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TaOₓNᵧ复合连接层（RL）的光电特性与界面能级特征及其对叠层器件性能的影响

XPS显示，TaOₓNᵧ薄膜包含Ta–N、Ta–O–N和Ta–O组分，相对峰面积分别为23.5%、28.2%和48.3%；光学带隙为3.07 eV。膜厚由3 nm增至6 nm和9 nm时，方块电阻分别为6.53、2.87和1.69 kΩ/sq，均高于20 nm ITO的0.49 kΩ/sq。TaOₓNᵧ载流子浓度为2.48 × 10²¹ cm⁻³，高于ITO的4.17 × 10²⁰ cm⁻³；其与SHJ底电池的接触电阻率为36.04 mΩ·cm²，低于ITO的55.23 mΩ·cm²。较低的接触电阻率可减少串联连接的电学损耗，并有利于提升填充因子。

3 nm、6 nm和9 nm TaOₓNᵧ的平均透过率分别为96.67%、94.05%和89.70%；20 nm ITO为91.25%。器件中位数转换效率分别为28.5%、31.2%和30.3%，对应填充因子为69%、76%和79%。3 nm膜层电荷传输不足；9 nm膜层虽提高填充因子，但光电流因吸收损耗增加而下降。反射光谱显示，随膜厚增加反射率逐步下降，说明该范围内透过率损失主要来自吸收，而非反射。6 nm薄膜的透过率仍高于20 nm ITO参照层。因此，6 nm在光学透过率和电学传输之间取得较好平衡。UPS显示，SAM修饰后TaOₓNᵧ功函数从4.51 eV升至5.18 eV，变化量为0.67 eV；ITO则从4.73 eV升至5.06 eV。SCAPS-1D模拟显示，TaOₓNᵧ/SAM界面更有利于空穴提取与两侧载流子复合，而ITO参照结构在界面处存在更明显的传输势垒。

SAM吸附与界面表征

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SAM在TaOₓNᵧ和ITO复合连接层上的吸附及界面分子表征

密度泛函理论计算表明，4PADCB和MeO-4PACz可通过膦酸基与表面金属位点形成双齿或三齿M–O键。三齿构型下，4PADCB在TaOₓNᵧ与ITO上的结合能分别为−10.88 eV和−8.11 eV；MeO-4PACz分别为−10.17 eV和−7.95 eV，说明两种分子在TaOₓNᵧ表面的吸附更稳定。XPS显示，TaOₓNᵧ/SAM表面的P–O组分占比为25.66%，高于ITO/SAM的19.05%，并检测到42.06%的Ta–O组分。C 1s谱表明两种基底上的SAM有机骨架均得以保留，O 1s谱则确认Ta位点参与锚定，与理论计算结果相符。

KPFM测得TaOₓNᵧ/SAM表面的接触电势差分布更窄，表明SAM形成的界面偶极场更均匀，界面能级无序程度较低。这种均匀性可减少局部电流拥挤和界面复合热点，较小的局部电势梯度也可能减弱偏压作用下的界面退化。MeO-4PACz改善润湿性，4PADCB通过空间位阻抑制分子聚集，两者混合使用时器件表现最佳。

钙钛矿薄膜的结晶与光电性质

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沉积在ITO/SAM和TaOₓNᵧ/SAM基底上的钙钛矿薄膜的晶体结构与光电性能表征

GIWAXS和XRD显示，TaOₓNᵧ/SAM基底上的钙钛矿薄膜具有更强的衍射特征和更明显的择优取向。该薄膜的稳态PL强度更高，空间分布更均匀，TRPL衰减更慢。PLQY由ITO/SAM样品的0.241%升至TaOₓNᵧ/SAM样品的0.401%，钙钛矿侧准费米能级分裂（QFLS）由约1.26 eV升至约1.27 eV，理想因子由1.81降至1.42。这些变化表明，TaOₓNᵧ/SAM改善了薄膜结晶和埋底界面钝化，降低非辐射复合损失；理想因子的下降也支持陷阱辅助的Shockley–Read–Hall复合贡献减小这一判断。

叠层器件性能与稳定性

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采用TaOₓNᵧ和ITO复合连接层的单片钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的器件结构与性能

完整叠层器件的最高转换效率为31.78%，开路电压为1.977 V，短路电流密度为20.94 mA/cm²，填充因子为76.76%；独立认证效率为31.72%。ITO参照器件最高效率为30.61%。稳态最大功率点输出中，TaOₓNᵧ器件效率为31.44%，高于ITO器件的29.97%。EQE积分结果显示，TaOₓNᵧ器件的钙钛矿顶电池和晶硅底电池电流密度分别为21.75和20.92 mA/cm²；ITO参照器件分别为21.62和20.73 mA/cm²。两种器件均由晶硅底电池限制电流，采用TaOₓNᵧ未造成明显的光电流损失。每种复合连接层各测试20个器件，TaOₓNᵧ器件的效率、开路电压和填充因子分布更集中，表明器件输出的一致性较好。

封装器件在室温氮气气氛和连续1太阳光强度下开展MPPT测试，光照强度为100 mW/cm²，测试采用ISOS-L-1I规程，LED光源光谱接近AM1.5G标准。TaOₓNᵧ器件运行1500小时后仍保持超过80%的初始效率；ITO参照器件约500小时后保持约80%。在85℃、85%相对湿度下湿热老化1000小时后，TaOₓNᵧ器件保持初始效率的85.8%。运行中的效率衰减主要与填充因子下降有关，并伴随开路电压和短路电流密度降低。作者将稳定性改善与SAM牢固锚定、覆盖均匀及非辐射复合降低联系起来。

本研究用反应磁控溅射制备的TaOₓNᵧ可作为无铟复合连接层用于单片钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。6 nm膜层在光学透过率和接触电阻之间取得较好平衡；其表面强化SAM锚定，改善界面电势均匀性，并促进钙钛矿结晶、降低非辐射复合。器件实现31.78%的最高转换效率和31.72%的认证效率，且在连续运行与湿热测试中保持较高比例的初始效率。结果表明，复合连接层需要协同优化光学、电学和界面化学性质，才能改善叠层器件的输出性能与稳定性。

钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT

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美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+级 LED 太阳光模拟器作为老化光源，并在上一代基础上完成全面进阶：光谱范围拓展至300~1700 nm（AM0）、光谱等级达到AAA（AM0）、支持24 通道独立可调，为钙钛矿太阳能电池、太空光伏及叠层电池（2T/3T/4T）的研究提供了强有力的支持。

• 光源等级：AAA（AM0），光谱范围300~1700 nm，适用于太空光伏测试
• 多波段独立可控：24 通道可调（AM0），精准匹配三结、四结叠层电池子电池带隙
• 大样品夹具：支持210×105 mm叠层电池，夹具采用正背面金线挤压引出电极
• 环境可控：支持15℃~100℃半导体控温，同时可在氮气环境（无水无氧）下测试

美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT不仅是性能验证工具，更是钙钛矿与叠层太阳能电池研究的高效测试平台。

原文参考：Indium-free tantalum oxynitride recombination layer for monolithic perovskite/silicon tandem solar cells

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