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从局部光斑到整片电池,一次测准 EQE / IQE / 光谱响应
MNPVQE-1800T PRO量子效率测试仪是光伏研究和生产线质量过程中常见的工具,用于准确测定太阳能电池光谱响应/EQE (IPCE)和IQE。 MNPVQE-1800T PRO与各种类型的光伏器件、材料和架构兼容,包括c:Si、mc:Si、a:Si、µ:Si、CdTe、CIGS、CIS、Ge、染料敏化、有机/聚合物、串联、多结(2-、3-、4-结等)、量子阱、量子点、硫族化物和钙钛矿。PL/EL一体机
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36.87%效率:全无机钙钛矿叠层电池优化
日期:2026-10-26
单结晶硅和单结钙钛矿太阳电池的效率提升空间受到单一带隙光谱利用方式限制。单结太阳电池中,高于吸收材料带隙的光子会通过载流子热化损失多余能量,低于带隙的光子则无法被吸收,直接透过器件。两类光谱损失共同限制单结电池的理论转换效率。叠层结构采用不同带隙的吸收层分配太阳光谱,可分别利用高能和低能光子。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。
本研究提出CsPbI₂Br/CZTSe-c-Si双结叠层结构,由宽带隙CsPbI₂Br顶电池吸收高能光子,CZTSe-c-Si底电池利用长波长光谱,并通过器件厚度、载流子传输层和掺杂浓度优化降低c-Si用量。最终模拟PCE达到36.8743%,Jsc为18.7648 mA/cm²,Voc为2.2154 V,FF为88.70%,c-Si厚度为1.3 μm。
器件结构与模拟方法
顶电池结构为SnO₂/CsPbI₂Br/Cu₂O,其中SnO₂为电子传输层(ETL),CsPbI₂Br为吸收层,Cu₂O为空穴传输层(HTL)。底电池结构为WS₂/CZTSe/c-Si/a-Si,WS₂为ETL,CZTSe和c-Si承担光生载流子产生,a-Si为HTL。器件还设置SiO₂、ITO、Al和Ag等层,其中SiO₂承担抗反射层(ARC)和背面钝化层作用,ITO连接上下子电池并形成隧穿结,Al为指栅电极,Ag为背接触,同时承担反射作用。
a)叠层电池的三维结构,b)二维结构, c)关键层的能级图
本研究给出了对应的制备路线。Ag可通过丝网印刷形成,TiN可采用等离子体增强原子层沉积,背面SiO₂采用PECVD沉积;c-Si与a-Si结合后进行减薄,再形成CZTSe和WS₂。底电池完成后沉积ITO,顶电池依次形成Cu₂O、CsPbI₂Br和SnO₂,最后制备SiO₂抗反射层和Al指栅。上述流程是本研究提出的器件制备方案,本文核心结果来自数值模拟。
模拟采用Ansys Lumerical FDTD和CHARGE。FDTD根据Maxwell方程计算电场、吸收功率和光生载流子产生率,光学激励采用AM1.5G太阳光谱;CHARGE求解Poisson方程、漂移扩散方程和连续性方程,计算上下子电池的J-V特性。模型考虑辐射复合以及Auger和Shockley–Read–Hall(SRH)非辐射复合,采用非结构有限元网格和Gummel迭代求解,温度固定为300 K。叠层电池的Voc为上下子电池Voc之和,Jsc取上下子电池中较低的数值。
模拟器件的顺序优化流程
优化分为厚度和掺杂浓度两阶段。厚度优化先调整CsPbI₂Br、CZTSe和c-Si吸收层,再优化ETL、HTL、ARC和背面SiO₂;掺杂浓度优化按顶电池、底电池逐层进行。完成掺杂优化后,再同时调整三个吸收层厚度,得到最终结构。
吸收层厚度优化
a)顶电池PCE和FF、b)顶电池Jsc和Voc随钙钛矿层厚度的变化。c)叠层太阳电池PCE、d)Jsc、e)Voc和f)FF随CZTSe和c-Si层厚度的变化
CsPbI₂Br厚度增加时,光吸收和载流子产生增强,PCE和Jsc随之提高;厚度超过最佳范围后,复合损失增加,PCE和Jsc开始下降。独立顶电池的最佳CsPbI₂Br厚度为0.9 μm,此时PCE达到峰值,FF为87.14%。
在叠层结构中,CZTSe和c-Si厚度对整体性能的敏感度较低。模拟得到峰值PCE约35.28%时,CZTSe厚度约2.8 μm、c-Si厚度约1.3 μm。Jsc、Voc和FF对这两层厚度变化同样不敏感,因此厚度选择具有一定工艺调整空间。
在c-Si层厚度为1.3 μm时,叠层太阳电池a)PCE、b)Jsc、c)Voc和d)FF随CsPbI₂Br和CZTSe层厚度的变化
随后同时改变三个吸收层厚度。c-Si固定为1.3 μm时,CsPbI₂Br厚度仍表现出较强影响,0.9 μm时PCE达到35.29%,Jsc为17.74 mA/cm²,Voc为2.28 V,FF为87.14%。
ARC和背面SiO₂优化
叠层太阳电池a)PCE、b)Jsc、c)Voc和d)FF随抗反射层(ARC)和背面SiO₂层厚度的变化
在吸收层和载流子传输层厚度确定后,本研究调整ARC和背面SiO₂厚度。模拟结果显示,两者在研究范围内对器件性能影响较小。ARC为130 nm、背面SiO₂为60 nm时,PCE达到36.66%,对应组合被确定为最优厚度。性能变化主要出现在小数点后第三位,说明器件对这两个光学层的厚度具有较宽容差。
掺杂浓度优化
关键层掺杂浓度对顶电池主要性能参数的影响。a)不同n型掺杂SnO₂层掺杂浓度下的PCE和Jsc,b)Voc和FF;c)不同n型掺杂CsPbI₂Br层掺杂浓度下的PCE和Jsc,d)Voc和FF;e)不同p型掺杂Cu₂O层掺杂浓度下的PCE和Jsc,f)Voc和FF
顶电池中,SnO₂掺杂浓度增加后,PCE、Jsc、Voc和FF整体提高;CsPbI₂Br掺杂增加使PCE提高而Jsc下降,Voc和FF上升;Cu₂O掺杂增加使PCE和Jsc提高,Voc变化较小而FF下降。
关键层掺杂浓度对底电池主要性能参数的影响。a)不同n型掺杂WS₂层掺杂浓度下的PCE和Jsc,b)Voc和FF;c)不同p型掺杂CZTSe层掺杂浓度下的PCE和Jsc,d)Voc和FF;e)不同p型掺杂c-Si层掺杂浓度下的PCE和Jsc,f)Voc和FF;g)不同p型掺杂a-Si层掺杂浓度下的PCE和Jsc,h)Voc和FF
底电池中,WS₂掺杂浓度增加时,PCE在10¹⁶ cm⁻³附近达到最大,Jsc继续增加,Voc变化较小,FF在该浓度附近达到峰值;CZTSe掺杂增加后PCE、Voc和FF提高,Jsc在10¹⁴ cm⁻³附近达到峰值后下降;c-Si掺杂增加使PCE、Jsc和FF逐步提高;a-Si掺杂增加后PCE和Jsc先升高后下降,FF在10²⁰ cm⁻³附近达到最佳。
综合性能和制备可行性,本研究最终采用约10¹⁸ cm⁻³作为载流子传输层的掺杂浓度,吸收层采用约10¹⁷ cm⁻³。
最终吸收层厚度优化
在c-Si层厚度为1.3 μm时,叠层太阳电池a)PCE、b)Jsc、c)Voc和d)FF随CsPbI₂Br和CZTSe层厚度的变化
完成掺杂浓度优化后,三个吸收层再次联合优化。最佳厚度仍为CsPbI₂Br 0.9 μm、CZTSe 2.8 μm、c-Si 1.3 μm。此时PCE达到36.85%,Jsc为18.49 mA/cm²,Voc最高达到2.35 V。CZTSe和c-Si厚度变化仍未明显改变器件性能。
叠层电池各层优化后的厚度,以及优化前后的掺杂浓度
结果显示最终各层厚度和掺杂浓度:ARC为0.13 μm,SnO₂、Cu₂O、WS₂和a-Si厚度分别为0.14、0.13、0.08和0.06 μm,背面SiO₂为0.06 μm。
最终器件性能
优化后的CsPbI₂Br/黄锡矿-c-Si叠层太阳电池a)电流密度-电压(J-V)和b)功率密度-电压(P-V)特性曲线
MPPT条件下最终优化结构的主要性能参数
最终叠层电池的Jsc为18.7648 mA/cm²,顶电池和底电池分别为18.7648和21.7365 mA/cm²,因此串联结构的Jsc由顶电池限制。最大功率点对应电压约1.991 V。最终模拟PCE为36.8743%,Voc为2.2154 V,FF为88.70%。
a)顶电池和底电池的吸收功率(Pabs)光谱,以及叠层电池的Pabs光谱;b)叠层电池的归一化反射光谱;c)顶电池和底电池的外量子效率(EQE)光谱,以及叠层电池的EQE光谱
光学结果显示,顶电池主要吸收短波长区域的高能光子,底电池主要吸收透过顶电池的长波长光子。叠层电池在大部分太阳光谱范围内保持较低反射,顶、底电池的EQE也呈现互补分布,说明光谱分配和光生载流子收集共同维持器件性能。
基于晶硅的叠层太阳电池性能对比
结果显示,本文CsPbI₂Br/CZTSe-c-Si结构的PCE为36.87%,高于本研究列出的其他钙钛矿/Si和黄锡矿/Si叠层结构。部分对比结构虽然具有更高Jsc,但Voc较低,最终PCE未超过单结S-Q极限。
本研究通过数值方法建立并优化全无机CsPbI₂Br/CZTSe-c-Si双结叠层太阳电池。最终CsPbI₂Br、CZTSe和c-Si厚度分别为0.9、2.8和1.3 μm,PCE达到36.8743%,Jsc为18.7648 mA/cm²,Voc为2.2154 V,FF为88.70%。CZTSe与c-Si构成的底电池使c-Si厚度能够降低至1.3 μm。同时指出,当前结果依赖文献中的界面参数,部分界面采用相近材料体系的代表性参数,互连损耗、复合速度和串联电阻也使用文献参数估算。由于Voc和FF对界面质量、陷阱密度及接触电阻率较敏感,后续模型需要加入更详细的界面复合、非理想互连电阻、温度依赖输运参数和寿命限制分析。
美能钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT
联系电话:400 008 6690
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:Design and optimization of all-inorganic perovskite/kesterite-c-Si tandem solar cell outperforming the Shockley-Queisser limit
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