效率突破30.22%，通过优化HTL和采用SHJ底部电池实现钙钛矿/硅叠层太阳能电池性能提升

在钙钛矿/硅叠层太阳能电池中，使用硅异质结（SHJ）太阳能电池作为底部电池是实现高效率的最有前景的方法之一。目前，大多数高效叠层太阳能电池使用厚的浮区（FZ）底部电池，这在工业大规模生产中并不经济。因此，研究者们致力于开发更薄、双面微纹理表面的Cz生长SHJ底部电池，以提高光耦合效率并满足工业生产的需求。

研究背景

钙钛矿材料因其优异的光电特性，如高吸收系数、长载流子扩散长度和可调带隙，成为太阳能电池领域的研究热点。钙钛矿/硅叠层太阳能电池通过将钙钛矿顶部电池和硅底部电池串联，能够更有效地利用太阳光谱，从而提高整体转换效率。然而，要实现高效、稳定的叠层太阳能电池，需要解决以下几个关键问题：

界面工程：改善钙钛矿层与空穴传输层（HTL）之间的界面，减少非辐射复合损失，提高电荷提取效率。

光管理：优化电池的光陷阱结构，提高光吸收效率，减少反射损失。

材料稳定性：提高钙钛矿材料的稳定性，确保电池在长期运行中的性能稳定。

制造成本：开发适合大规模生产的制造工艺，降低电池的制造成本。

润湿性改善

通过稳态光致发光量子产率（PLQY）测量和接触角测量，评估了不同PA对钙钛矿薄膜质量和润湿性的影响。

不同分子组合对润湿性及相关性能的影响

分子组合示意：图a 为 Me-4PACz 与膦酰基乙酸（PAA）共吸附的示意图，强调二者可能通过氢键形成更强的偶极-偶极相互作用，这种相互作用有助于改善HTL对钙钛矿的覆盖性能。

PLQY 测量：使用Me-4PACz时 PLQY略有增加，表明其对非辐射复合有一定抑制作用。

润湿性特征：添加 EPA、PAA 和 3 - SAA 可改善薄膜覆盖，而 PMPA 和 TFMPMPA 虽能减少非辐射损失，但仍存在润湿性限制，3 - SAA 还导致非辐射损失增加。

表面自由能：Me-4PACz 涂覆的玻璃/ITO 基板润湿性明显低于PAA，PAA使SFE从Me-4PACz的40增加到72mN/m，主要源于极性部分增加。两步法旋涂 PAA 且中间不退火会大幅增加极性，退火可使Me-4PACz与ITO牢固结合，减少SFE变化。

接触角测量：相比Me-4PACz，PAA样品上的水接触角更小，进一步证明PAA可显著提高表面润湿性，这对钙钛矿薄膜在HTL上的均匀沉积和覆盖至关重要，有利于提升电池性能。

单结太阳能电池的性能

制备单结钙钛矿太阳能电池，并使用不同的PA分子（PAA、PPA、PHA）和Me-4PACz的组合作为空穴传输层（HTL）。

使用不同膦酸分子和Me-4PACz的组合对单结钙钛矿太阳能电池性能的影响

钙钛矿层覆盖情况：使用PAA时，钙钛矿层的覆盖显著改善，减少了宏观孔洞，降低了分流比例，从而提高了电池的产量和性能。

开路电压（VOC）：随着PA链长的增加，VOC略有增加，表明PA的添加有助于提高VOC。

填充因子（FF）：PA的添加显著提高了FF，表明PA的添加有助于提高电荷提取效率和减少非辐射复合损失。

使用PAA和PHA时，电池性能最佳，平均VOC为1.198 V，平均FF为84.3%。特别是PHA，不仅提高了VOC，还保持了高效的性能，表明PHA是进一步优化HTL层的有前景的材料。

电荷提取

不同HTL组合对光生电荷载流子动力学的影响

测量方法：样品在515 nm激光激发下，以20 kHz的重复频率进行测量，初始载流子浓度相当于约0.1 suns。

tr-PL 分析：在最初约400ns内，Me-4PACz或其与PAA的混合物的tr-PL衰减更明显，这意味着它们能更有效地提取空穴，使光生载流子快速被提取，导致tr-PL快速衰减。而在较晚时间，其tr-PL衰减变慢，表明界面复合较低，减少了界面处的电荷复合，有助于提升电池性能。

tr-SPV 分析：Me-4PACz或其与PAA的混合物呈现负SPV信号，表明空穴选择性电荷转移，空穴被传输至ITO中，约400ns后SPV瞬态达到最大振幅，标志着从电荷提取向复合的转变。与之不同，单独使用PAA的样品呈现持续且较小的正信号，表明电子向ITO移动，可能是电子在 ITO/PAA/钙钛矿界面捕获，或PAA具有轻微电子选择性，说明 PAA 单独作为空穴选择性传输层效率欠佳。

钙钛矿/硅叠层太阳能电池

钙钛矿/硅叠层太阳能电池的结构和性能

电池结构示意：基于140μm Cz-Si的钙钛矿/硅叠层太阳能电池结构示意图，清晰呈现了从顶部Ag环、LiF（增透层）、钙钛矿层，到中间各功能层，再到底部 c - Si (n) 等层的堆叠顺序，各层协同工作实现光电转换。

润湿性对比：通过接触角测量，对比了亚微米纹理化和抛光正面的 SHJ 底部电池涂覆混合 PA 后的润湿性。在亚微米纹理表面，钙钛矿墨水的润湿性显著提升，接触角仅在初始时刻可测，随后墨水迅速铺展覆盖整个表面。这得益于微观形貌降低了表面自由能，改善的润湿性有助于提高叠层电池的制备产量。

IV曲线：电池实现了较高的开路电压Voc达1.954V，填充因子FF为81.82%，短路电流密度Jsc为18.91mA/cm²，光电转换效率PCE达到30.22%，展现出优异的性能。

EQE光谱分析：使用量子效率测试仪测量外部量子效率（EQE）。测量范围内，总短路电流密度Jsc为40.35mA/cm²，反射损失为2.23mA/cm²，寄生吸收为3.90mA/cm²。EQE 光谱表明两个子电池未处于电流匹配状态，电池受硅基子电池限制，这种电流失配在一定程度上解释了电池极低的滞后现象。

通过优化空穴传输层（HTL）和采用双面亚微米级纹理的硅异质结（SHJ）底部电池，显著提高了钙钛矿/硅叠层太阳能电池的性能。结合Me-4PACz和不同功能化的膦酸（PA）分子，不仅改善了钙钛矿薄膜的润湿性和覆盖特性，还保持了高效的空穴提取和低非辐射复合损失，从而实现了30.22%的高效能，展示了这种结构在高效太阳能电池中的巨大潜力。

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原文出处：Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells Above 30% Conversion Efficiency on Submicron-Sized Textured Czochralski-Silicon Bottom Cells with Improved Hole-Transport Layers

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