大面积钙钛矿/硅叠层电池的28.16 %效率与高稳定性：基于热蒸发Sb₂O₃缓冲层

在钙钛矿/硅叠层太阳能电池中，原子层沉积的氧化锡（SnOₓ）虽被广泛用作缓冲层，但其前驱体与钙钛矿之间的配体交换反应会破坏钙钛矿结构，迫使富勒烯（C₆₀）电子传输层增厚至15 nm以上，从而在300–550 nm波段产生严重的寄生光学吸收，限制短路电流密度的进一步提升。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA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。

本文首次引入热蒸发制备的氧化锑（Sb₂O₃）薄膜作为替代缓冲层。Sb₂O₃具有独特的非晶‑纳米晶结构，纳米晶网络提供高效的纵向电子输运通道，且热蒸发过程对钙钛矿无化学损伤，可将C₆₀厚度降至5 nm而不影响器件性能。基于Sb₂O₃的单结钙钛矿电池（1.64 eV带隙）实现了23.18%的认证级效率，为真空‑溶液混合法制备中宽带隙电池的最高值；在1 cm²叠层电池中效率达30.28%，较SnOₓ基线提升约1.7个百分点，主要源于短路电流密度增加约1 mA/cm²。该方案在64.64 cm²大面积封装组件中仍保持28.16%的效率（认证27.70%），且制造成本仅为ALD‑SnOₓ的约70%，展现出优异的可规模化和商业化前景。

氧化锑薄膜的制备与结构特征

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Sb₂O₃薄膜的表征

氧化锑（Sb₂O₃）是一种n型半导体材料，带隙约为4.25 eV，其分子晶体结构使升华温度仅约490°C（常压下），具备用热蒸发方法制备的先决条件。

研究团队通过热蒸发（TE）工艺制备了Sb₂O₃薄膜，透射电镜（TEM）与X射线衍射（XRD）结果表明，薄膜呈非晶-纳米晶混合结构，其中纳米晶相具有立方结构，面间距d = 3.2 Å，（222）晶面优先平行于玻璃基底取向。

AFM图像显示薄膜表面平整均匀，覆盖15 nm时可完全铺展；5 nm厚度下覆盖率不足，存在漏电风险。

采用导电原子力显微镜（c-AFM）对硅/Sb₂O₃结构施加3 V偏压进行纵向电流成像，结果清楚地显示纳米晶区域具有纵向导电能力，非晶区域表现为绝缘。

进一步的计算分析表明，Sb间隙缺陷在Sb₂O₃纳米晶中形成了一系列近连续的带隙内态，这些缺陷态构成贯穿界面的导电通道，使电子能够通过缺陷辅助输运机制穿越较高的能量势垒，这也是Sb₂O₃尽管带隙宽达4.25 eV却能实现有效电荷传输的物理根源。

截面TEM与EDS表征显示，15 nm Sb₂O₃薄膜与非晶C₆₀之间界面接触良好，二者通过范德华力物理接触，残余应力极低，无化学键合。

EDS面扫结果证实层间界面清晰，铟元素向下层的扩散量可忽略不计，说明Sb₂O₃对后续IZO磁控溅射具有良好的耐溅射性。

暗态J-V对比实验进一步证实，引入Sb₂O₃后器件漏电电流显著降低。

单结钙钛矿电池性能

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基于Sb₂O₃和SnOₓ的钙钛矿太阳能电池（PSC）的光伏性能

研究团队将Sb₂O₃作为缓冲层引入p-i-n单结钙钛矿太阳能电池（PSCs），器件结构为ITO / Me-4PACz / 钙钛矿 / PDADI / C₆₀ / Sb₂O₃（或SnOₓ） / Al，钙钛矿组分为Cs₀.₀₅(MA₀.₀₅FA₀.₉₅)Pb(I₀.₈₈Br₀.₁₂)₃，带隙1.64 eV，采用真空-溶液混合沉积工艺制备。

固定金属氧化物缓冲层厚度为15 nm，系统比较了不同C₆₀厚度（5、10、15 nm）的器件性能。在SnOₓ体系中，C₆₀减薄至5 nm时FF出现明显跌落，根本原因是ALD前驱体与钙钛矿之间的不可逆界面反应在保护层不足时无法被有效抑制。相比之下，Sb₂O₃体系对C₆₀厚度的工艺窗口更宽，5 nm C₆₀与15 nm Sb₂O₃的组合可以维持优异的器件性能。

最优Sb₂O₃基器件（C₆₀ 5 nm / Sb₂O₃ 15 nm）反扫最高效率为23.18%，对应Voc 1.227 V、Jsc 22.34 mA/cm²、FF 84.55%，与SnOₓ基最优器件（23.17%）性能相当，但C₆₀用量减少了三分之二。SPO经600 s MPP跟踪后稳定在23.02%。

该23.18%的效率是目前文献报道的真空-溶液混合工艺制备中/宽带隙钙钛矿电池的最高值。针对1.59、1.62和1.68 eV带隙器件，Sb₂O₃基电池最高效率分别为22.28%、22.50%和22.29%，各带隙下均保持高填充因子，证实了其工艺普适性。瞬态光电流（TPC）与瞬态光电压（TPV）测试表明，Sb₂O₃与SnOₓ体系的光生载流子寿命相近，缺陷辅助输运机制在高效提取载流子的同时未引入额外非辐射复合损失。

叠层电池的光学增益与稳定性

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基于Sb₂O₃和SnOₓ的钙钛矿/硅叠层太阳能电池（PST）的光伏性能及稳定性

将Sb₂O₃薄膜集成至1 cm²面积全质地硅异质结叠层电池中，钙钛矿顶电池带隙为1.64 eV。改变C₆₀厚度并固定Sb₂O₃为15 nm后，叠层器件Jsc随C₆₀减薄持续提升，且始终高于SnOₓ参照组。最优Sb₂O₃叠层器件（5 nm C₆₀ / 15 nm Sb₂O₃）效率达30.28 %，Jsc = 20.26 mA/cm²，明显高于SnOₓ对照组的19.22 mA/cm²，两者Voc（1.894 V）和FF（78.67%）基本持平，经2400 s MPP跟踪后SPO稳定在30.1%。

EQE和UV-vis透过率测量揭示了电流提升的光学机制：C₆₀在300–560 nm波段的平均透过率随厚度从5 nm增至15 nm，从81.17%下降至63.87%。

减薄C₆₀后，钙钛矿顶电池在该波段的EQE响应明显增强，5 nm C₆₀ / 15 nm Sb₂O₃器件中顶电池光电流可达20.45 mA/cm²，底部硅电池为20.54 mA/cm²，实现良好的电流匹配。

C₆₀（5 nm）/Sb₂O₃（15 nm）在300–560 nm波段平均透过率为74.85%，高于C₆₀（15 nm）/SnOₓ（15 nm）的62.68%，寄生光吸收损失显著降低。

稳定性测试方面，封装Sb₂O₃叠层器件在100 mW/cm² LED白光连续照射500 h后效率几乎无衰减；LED光照或65°C持续1000 h的加速老化测试后，封装器件效率保留率均在90%以上。

大面积器件的均匀性与成本

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基于Sb₂O₃和SnOₓ的大面积叠层太阳能电池的光伏性能

在10×10 cm²基底上制备25个子区域测厚，Sb₂O₃薄膜厚度分布高度一致；100个子电池的归一化效率分布同样均一，证实了大面积工艺的重复性。64.64 cm²有效面积封装叠层器件中，Sb₂O₃体系效率从27.29%提升至28.16%，Jsc从18.61提升至18.96 mA/cm²，该效率在已发表的面积超过10 cm²叠层电池中位居前列。经国家计量院第三方认证，反扫效率27.70%，经1800 s MPP稳定化后SPO为27.66%。此外，Sb₂O₃制备成本约为ALD-SnOₓ的70%，在性能对等甚至更优的前提下，制造成本的节省具有明确的商业化价值。

本文首次开发了热蒸发非晶-纳米晶Sb₂O₃薄膜作为ALD-SnOₓ的替代缓冲层，其纳米晶提供电子传输通道，具备高透光、耐溅射、与超薄C₆₀（5 nm）兼容等优点，实现非破坏性钙钛矿集成。基于该缓冲层的PSC在1.59–1.68 eV带隙范围内效率达22.28 % ~ 23.18 %，其中23.18 %为混合法制备中/宽带隙PSC的最高值。1 cm² PST效率30.28 %，优于SnOₓ基的28.69 %。64.64 cm²封装组件效率28.16 %（认证27.70 %），为大面积PST领先水平。Sb₂O₃的应用有效降低了C₆₀引起的光学寄生损失，为未来效率突破35%奠定了基础。

钙钛矿复合式MPPT测试仪

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美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源，以其先进的技术和多功能设计，为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。

• 3A+光源，光源寿命10000h+，真实还原各场景实际光照条件

可选配恒温恒湿箱，满足IS0S标准

多型号电子负载可选，多通道独立运行

不同波段光谱输出可调：350-400nm/400-750nm/750-1150nm均独立可控

美能钙钛矿复合式MPPT测试仪主要应用于成品钙钛矿单结，叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响，其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点，能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量，还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。

原文参考：Antimony oxide bu€er layer for single- and doublejunction perovskite-based solar cells

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