太陽能作為清潔能源的核心載體，其高效轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)解決能源危機(jī)和環(huán)境問題至關(guān)重要。目前，晶硅（c-Si）太陽能電池憑借成熟的制造工藝、高可靠性和環(huán)境友好性，占據(jù)全球光伏市場(chǎng)95%以上的份額，實(shí)驗(yàn)室效率已突破26%。然而，這一數(shù)值仍低于單結(jié)器件的肖克利-奎塞爾（Shockley-Queisser, SQ）理論極限（33.15%）。疊層電池通過結(jié)合不同帶隙材料實(shí)現(xiàn)光譜分段吸收，成為突破效率瓶頸的重要方向。

2-T與4-T晶硅/鈣鈦礦疊層電池效率演變

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的快速發(fā)展（效率從2009年的3.81%提升至2021年的25.7%），因其溶液可加工性、帶隙可調(diào)性及優(yōu)異的光電特性，成為與晶硅理想匹配的疊層材料。通過合理設(shè)計(jì)帶隙匹配并結(jié)合美能QE量子效率測(cè)試儀對(duì)光譜響應(yīng)的精準(zhǔn)測(cè)量，疊層電池能夠更高效地利用太陽光譜，提升光電轉(zhuǎn)換效率。本文將系統(tǒng)解析晶硅/鈣鈦礦疊層電池的類型及其設(shè)計(jì)原理。

兩端（2-T）單片集成結(jié)構(gòu)

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晶硅/鈣鈦礦疊層電池兩端單片集成結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩端結(jié)構(gòu)中，鈣鈦礦頂電池與晶硅底電池通過復(fù)合結(jié)或中間界面層直接串聯(lián)。頂電池吸收高能光子（短波長(zhǎng)），底電池吸收透過頂電池的低能光子（長(zhǎng)波長(zhǎng)），兩者共享電極，僅需兩個(gè)外接端口。設(shè)計(jì)原理：

• 光譜分段利用：通過帶隙匹配實(shí)現(xiàn)寬光譜覆蓋，理論上可突破單結(jié)效率極限。
• 電流匹配要求：兩子電池串聯(lián)連接，需嚴(yán)格匹配光生電流。理想情況下，鈣鈦礦頂電池帶隙需控制在1.7-1.8 eV，但對(duì)光譜變化的敏感性較高。

優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)：

• 優(yōu)勢(shì)：成本低、易于集成，適合光伏模組化應(yīng)用。
• 挑戰(zhàn)：電流匹配難度大，需精確調(diào)控鈣鈦礦帶隙；頂電池制備工藝復(fù)雜（需在底電池表面沉積，易損傷底層）；透明導(dǎo)電層需兼顧高導(dǎo)電性與透光性。

四端（4-T）結(jié)構(gòu)

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四端結(jié)構(gòu)中，鈣鈦礦頂電池與晶硅底電池光學(xué)耦合但電學(xué)獨(dú)立，各自擁有獨(dú)立電極，可分別優(yōu)化。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式分為三類：

• 機(jī)械堆疊

晶硅/鈣鈦礦疊層電池四終端機(jī)械堆疊結(jié)構(gòu)

特點(diǎn)：兩個(gè)子電池垂直堆疊，光學(xué)耦合且電學(xué)獨(dú)立，每個(gè)子電池?fù)碛歇?dú)立的電極。優(yōu)勢(shì)：帶隙選擇更靈活（鈣鈦礦Eg可擴(kuò)展至1.6-2.0 eV），降低對(duì)光譜變化的敏感度。挑戰(zhàn)：需多個(gè)透明電極，可能增加寄生吸收；電纜與最大功率點(diǎn)跟蹤器增多導(dǎo)致成本上升。

• 光學(xué)分光

晶硅/鈣鈦礦疊層電池四終端光學(xué)分光結(jié)構(gòu)

原理：采用二色鏡將高能量光子導(dǎo)向鈣鈦礦子電池，低能量光子導(dǎo)向硅子電池。優(yōu)勢(shì)：無需額外透明電極。限制：光學(xué)分光器成本過高，經(jīng)濟(jì)性不足。

• 反射設(shè)計(jì)

晶硅/鈣鈦礦疊層電池四終端反射設(shè)計(jì)

特點(diǎn)：通過彎曲排列與二色鏡反射光線，提升制造與集成靈活性。應(yīng)用：適用于太陽能熱收集技術(shù)。不足：對(duì)散射光的收集效率較低。

• 4-T結(jié)構(gòu)核心優(yōu)勢(shì)：

獨(dú)立優(yōu)化：子電池帶隙選擇靈活，無需電流匹配。工藝解耦：頂/底電池可分開制備，避免高溫工藝對(duì)鈣鈦礦的損傷。光管理優(yōu)化：采用二向色鏡或反射設(shè)計(jì)提升光譜利用率。

三端（3-T）混合結(jié)構(gòu)

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三端晶硅/鈣鈦礦疊層太陽能電池結(jié)合了兩端和四端結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。通過叉指背接觸（Interdigitated Back Contact, IBC）硅電池實(shí)現(xiàn)部分電路獨(dú)立。

• 潛力：兼顧低成本與設(shè)計(jì)靈活性。
• 現(xiàn)狀：工藝復(fù)雜度較高，尚未廣泛采用。

晶硅/鈣鈦礦疊層太陽能電池作為一種極具潛力的新型光伏技術(shù)，具有顯著的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。其通過結(jié)合晶硅和鈣鈦礦材料的特性，能夠有效突破單結(jié)太陽能電池的效率極限。

美能QE量子效率測(cè)試儀

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美能QE量子效率測(cè)試儀可以用來測(cè)量太陽能電池的光譜響應(yīng)，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應(yīng)偏低區(qū)域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測(cè)量范圍、測(cè)試的準(zhǔn)確性和可追溯性等優(yōu)勢(shì)。

兼容所有太陽能電池類型，滿足多種測(cè)試需求

光譜范圍可達(dá)300-2500nm，并提供特殊化定制

氙燈+鹵素?zé)?/span>雙光源結(jié)構(gòu)，保證光源穩(wěn)定性

隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，晶硅/鈣鈦礦疊層太陽能電池有望在全球能源領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，為實(shí)現(xiàn)清潔能源的廣泛應(yīng)用和環(huán)境保護(hù)目標(biāo)提供有力支持。美能QE量子效率測(cè)試儀將為疊層電池的研發(fā)和生產(chǎn)提供有力支持，推動(dòng)該技術(shù)的快速發(fā)展。

原文參考：Review on two-terminal and four-terminalcrystalline-silicon/perovskite tandem solar cells;progress, challenges, and future perspectives

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