钙钛矿/硅叠层电池效率突破31.83%：亚微米金字塔织构精准抛光

发布时间：2026-07-10 17:01:22 来源：郑州丰耀农业科技有限公司 作者：探索

在钙钛矿/硅叠层太阳能电池中，钙钛底电池的矿硅亚微米金字塔纹理虽然有助于光捕获，但相邻金字塔间形成的叠层电池V形沟槽会降低衬底润湿性、增加表面粗糙度，效率严重制约高质量钙钛矿薄膜的突破沉积。美能大平台钙钛矿电池PL测试仪通过无接触式测试，亚微监测各个工艺段中的米金异常，了解单节叠层钙钛矿电池的字塔织构缺陷分布信息。

本文基于各向同性刻蚀原理，精准提出了一种化学抛光策略，抛光对V形区域进行适度平滑处理。钙钛其中，矿硅去除60 nm材料的叠层电池CP-60 nm工艺不仅改善了晶体硅与非晶硅之间的界面钝化，提升了底电池的效率开路电压和填充因子，还增强了衬底润湿性，突破促进钙钛矿薄膜均匀生长、减少孔隙和晶格应变。最终，叠层电池的功率转换效率从30.04%显著提升至31.83%，并表现出更小的迟滞效应和更好的稳定性。

衬底特性

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(a–f)未抛光和不同nm基底的截面、放大及平面SEM图像(g)亚微米金字塔高度分布曲线(h)裸硅片400–1100 nm平均反射率(i)少数载流子寿命

随着化学抛光刻蚀程度增加，亚微米金字塔平均高度单调下降，表面粗糙度先减后增，在CP-60 nm时达到最小值93.0 nm。这分为两个阶段：轻度抛光（≤60 nm）主要使V形谷底圆滑化，粗糙度下降；过度抛光（≥80 nm）导致谷底变宽、金字塔合并并产生小纹理，粗糙度反而增加。低粗糙度表面有利于钙钛矿薄膜更好地覆盖底电池，减少分流。

反射率随抛光刻蚀体积增加而单调上升。未抛光金字塔能有效实现光的多重反射，降低反射率；但谷底过度圆滑后，局部形成类似镜面反射面，增加光损失。CP-80 nm和CP-100 nm样品的反射率显著上升，光捕获能力严重下降。

少子寿命测试表明，CP-60 nm样品的平均少子寿命最高（4163 μs），钝化效果最佳。这是因为初始尖锐金字塔谷底不利于前驱体扩散，悬挂键饱和不充分；适度圆滑化降低了界面缺陷态密度。

钙钛矿薄膜特性

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(a–f)钙钛矿薄膜接触角、截面SEM及AFM图像(g) AFM图像提取的高度分布曲线

CP-60 nm衬底上沉积的钙钛矿薄膜表现出最少的晶界、无孔隙缺陷、全覆盖且附着力良好。接触角测量显示CP-60 nm衬底的接触角最小（18.09°），润湿性最佳，有利于溶液均匀铺展。原子力显微镜显示CP-60 nm对应钙钛矿薄膜粗糙度最小（13.7 nm），高度变化最小（ΔH=65.56 nm）。

(a,b)钙钛矿薄膜XRD图谱与半高宽(c)威廉姆森-霍尔图(d–f)掠入射XRD图谱与sin²ψ-2θ图(g–i)稳态光致发光、光照后光致发光、时间分辨光致发光光谱

X射线衍射结果显示，CP-60 nm薄膜的半峰全宽最小（0.08487），结晶度最优，且PbI₂衍射峰被显著抑制，表明PbI₂转化更完全。

Williamson-Hall分析表明CP-60 nm有效降低了晶格应变。

掠入射X射线衍射显示，未抛光薄膜存在整体拉应力，而CP-60 nm衬底显著缓解了薄膜应力。

光致发光（PL）测试表明，CP-60 nm样品具有更强的发光强度和更均匀的发光图像，非辐射复合减少。

光照稳定性测试中，CP-60 nm薄膜在20分钟光照后仍保持特征峰形，而未抛光薄膜出现峰展宽和位移，表明存在相分离。

时间分辨光致发光显示CP-60 nm薄膜载流子寿命大幅延长。

光致发光（PL）量子产率从0.829%提高到1.079%，准费米能级分裂从1.250 eV增至1.261 eV。

综上，CP-60 nm衬底更有利于制备高质量钙钛矿薄膜，抑制界面非辐射复合。

器件性能

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(a)硅异质结太阳电池结构示意图(b–e)开路电压、短路电流密度、填充因子、转换效率统计图(f)串联电阻与并联电阻分析(g)最优硅异质结电池电流-电压曲线(h)外量子效率光谱(i–k)隐含开路电压-开路电压、隐含填充因子-填充因子及其差值对比

单结硅异质结电池：随着抛光程度增加，短路电流因光捕获减弱而下降（CP-100 nm相比初始下降0.3 mA/cm²）；开路电压因钝化改善而单调上升。CP-60 nm电池实现了最高的开路电压、填充因子和功率转换效率（24.36%）。相比未抛光，短路电流仅下降0.27 mA/cm²，但开路电压提高2.7 mV、填充因子提高1.35%，效率绝对提升0.31%。外量子效率显示，CP-60 nm在短波区（<700 nm）响应略低，但在近红外区（700-1200 nm）与未抛光相当，且900 nm以上更高，与叠层中底电池主要吸收长波光的预期一致。隐含开路电压和隐含填充因子测试表明，CP-60 nm样品具有更少的非辐射复合缺陷和更低的表面复合电流密度，钝化质量优异。

(a)叠层器件结构示意图(b–e)开路电压、短路电流密度、填充因子、转换效率统计图(f)最优叠层电池电流-电压曲线(g)最优叠层电池外量子效率光谱(h)稳态输出效率(i)存储稳定性

钙钛矿/硅异质结叠层电池：在CP-60 nm衬底上制备的叠层器件开路电压高达1.97 V，填充因子和短路电流密度均有提升。冠军器件正向扫描效率31.49%，反向扫描31.83%，明显高于未抛光样品的29.22%/30.04%，且迟滞效应更小。外量子效率积分得到的电流密度与J-V曲线匹配良好。CP-60 nm基叠层电池在650秒稳态输出中保持31.32%效率，存储1000小时后仍保留初始效率的93.2%，优于未抛光样品的86.9%。

本研究采用60 nm化学抛光深度平滑谷底区域的亚微米金字塔纹理硅衬底，是一种简单有效的提升钙钛矿/硅叠层电池性能的策略。该方法改善了硅异质结底电池的钝化性能和非晶硅薄膜质量，使底电池效率提高0.31%，同时在900-1200 nm波长范围保持高外量子效率。更重要的是，增强的界面润湿性促进了钙钛矿薄膜与金字塔表面的紧密贴合，减少了孔隙和缺陷，降低了晶格应变，抑制了非辐射复合，最终将叠层器件效率从30.04%提升至31.83%，并减轻了迟滞效应，为解决金字塔V形区域导致的钙钛矿薄膜质量问题提供了有价值的思路。

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪

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大平台钙钛矿电池PL测试仪通过非接触、高精度、实时反馈等特性，系统性解决了太阳能电池生产中的速度、良率、成本、工艺优化与稳定性等核心痛点，并且结合AI深度学习，实现全自动缺陷识别与工艺反馈。

PL高精度成像：采用线扫激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 颜色灰度：同时清晰呈现高亮区域（如无缺陷区）与低亮区域（如缺陷暗斑）

高速在线PL检测缺陷：检测速度≤2s，漏检率< 0.1%；误判率< 0.3%

AI缺陷识别分类训练：实现全自动缺陷识别与工艺反馈

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪采用无接触式测试方式，可实时监测钙钛矿电池各工艺段中的薄膜质量异常，精准定位单结及叠层电池中的缺陷分布。

原文参考：Advanced Sub-Micron Pyramid Texture Enables Approximately 32% Efficiency in Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells

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