TOPCon和HJT两种主流钙钛矿/硅叠层界面稳定性的降解机理

钙钛矿/硅（Pero/Si）串联太阳能电池作为突破单结效率极限的新兴架构，其理论效率可达40%以上，展现出显著的产业化前景。然而，现有研究表明，其长期运行稳定性远低于单一材料的电池，这已成为制约其大规模应用的关键瓶颈。性能衰减主要源于复杂的界面失效：在光照和湿热等运行应力下，钙钛矿层与硅衬底之间的埋底界面会发生明显的协同降解。美能温湿度综合环境试验箱专为验证评估组件或材料的可靠性，能达到快速升温降温，提升测试效率，满足IEC61215等标准。

本研究发现界面稳定性与互联层的微观结构密切相关，非晶态ITO等疏松结构会加速离子和氢的互扩散。基于此，研究提出界面工程的改进方向：开发致密的透明导电氧化物材料以增强阻隔性能，并在关键界面引入超薄原子层沉积阻挡层，以有效抑制离子和氢的迁移，从而为实现高效率、长寿命的Pero/Si串联光伏器件提供可行的技术路径。

实验设计

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(a) 两种前景广阔的单片钙钛矿/硅串联结构示意图(b) J-V曲线及测量参数(c)MPPT最大功率点跟踪(d)湿热稳定性测试

研究选用两种主流硅电池技术：TOPCon和HJT，与p-i-n型钙钛矿顶电池构建单片集成结构。在钙钛矿与硅的界面处引入自组装单分子层和ITO作为互联层。测试结果显示，基于HJT的串联器件初始效率略高于TOPCon版本，主要得益于其优异的表面钝化能力带来的更高开路电压与填充因子。

稳定性测试与宏观衰退现象

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在标准ISOS-L-3（光照）与ISOS-D-3（湿热）老化测试中，两类串联器件均表现出显著的性能衰减。Pero/HJT器件的衰减速度明显快于Pero/TOPCon，其T90（保持初始效率90%的时间）在光照测试中仅86小时，远低于后者（367小时）。这一现象提示，非晶硅基HJT结构可能在界面稳定性方面存在固有弱点。

钙钛矿界面分解过程

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(a) Pero/TOPCon和(b) Pero/HJT串联器件的扫描电子显微镜图像(c) Pero/TOPCon和(d) Pero/HJT串联器件中对照钙钛矿与埋底钙钛矿在热老化和光老化后的Pb 4f X射线光电子能谱(e) Pero/TOPCon和(f) Pero/HJT堆叠结构在加速热老化前后的二维掠入射广角X射线散射图像

通过扫描电子显微镜（SEM）与X射线光电子能谱（XPS）分析发现，老化后钙钛矿埋底界面出现大量碘化铅（PbI₂）析出，且HJT样品的分解程度更为严重。原位掠入射广角X射线散射（GIWAXS）进一步揭示，热应力下钙钛矿向PbI₂的转化在HJT上发生更早、更快，表明非晶界面结构加速了钙钛矿的离子迁移与去质子化进程。

硅衬底界面钝化失效

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(a) Pero/Si热老化过程中埋底硅电池的光致发光mapping图像追踪(b) Pero/Si热老化过程中埋底硅电池的准稳态光电导法测得有效载流子寿命追踪(c)电化学电容-电压法测得的埋底硅在Pero/Si 热老化前后的活性载流子浓度深度分布(d)四探针法测得的埋底ITO/硅堆叠在 Pero/Si老化前后的薄层电阻

光致发光PL成像与准稳态光电导测试显示，老化过程中埋底硅电池的载流子寿命显著下降，且HJT结构的衰减幅度更大。电化学电容-电压分析表明，硅近表面区域的活性载流子浓度下降，同时薄层电阻上升。这些变化被归因于钙钛矿层迁移过来的离子（如I⁻、有机阳离子）与硅中氢的相互作用，导致表面缺陷增多、掺杂剂失活。

界面失效的微观机制

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(a) Pero/TOPCon和(b) Pero/HJT串联界面的透射电子显微镜-快速傅里叶变换图像(c) Pero/TOPCon和(d) Pero/HJT串联界面在热老化后的扫描透射电子显微镜-能量色散X射线光谱元素分布图(e) Pero/TOPCon和Pero/HJT串联界面在热老化前后的飞行时间二次离子质谱深度剖面(f)埋底HJT硅在热老化前后的近表面拉曼光谱

透射电镜与快速傅里叶变换分析表明，沉积于非晶a-Si:H上的ITO呈非晶态，而沉积于多晶硅上的ITO为结晶态。非晶ITO具有更多孔隙与缺陷，为离子与氢的迁移提供通道。元素分布成像（STEM-EDX）与飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）证实，老化后I⁻与含氮物种在HJT界面穿透更深。拉曼光谱进一步检测到HJT中Si-H键的减少与结构无序化加剧，说明氢从a-Si:H层中逸出并参与界面反应。

本研究为钙钛矿/硅串联器件中界面驱动的相互作用和降解提供了机制性证据。埋底界面处富含羟基的非晶ITO促进了钙钛矿离子和硅-氢的迁移，从而可能加速Pero/HJT中阳离子去质子化、PbI₂形成及硅表面无序化。由此可见，透明导电氧化物的具体选择和加工很可能调节了报道的离子/氢迁移路径。

因此，建议未来旨在抑制界面相互作用的串联设计应：（a）考虑采用具有更好阻隔性能的致密TCO（如优化的ITO/IZO）；（b）探索引入额外的超薄保形阻挡层（如ALD生长的氧化物）以阻隔离子/氢传输。理解和解决这些因素对于实现下一代高效率串联光伏器件的大规模、长寿命应用至关重要。

美能温湿度综合环境试验箱

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美能温湿度综合环境试验箱采用进口温度控制器，能够实现多段温度编程，具有高精确度和良好的可靠性，满足不同气候条件下的测试需求。

温度范围：20℃~+130℃

温湿度范围：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

满足试验标准：IEC61215、IEC61730、UL1703等检测标准

美能温湿度综合环境试验箱通过精确控制紫外辐照剂量与85°C/85%RH的湿热环境，为钙钛矿光伏组件的可靠性评估提供了关键测试条件。

原文参考：Revealing the Interface Degradation of Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Photovoltaics

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