单片式钙钛矿/硅叠层太阳电池是突破单结效率极限的关键路径。顶电池和底电池靠复合互联层串联，这层界面好不好，直接关系到载流子能不能顺利输运和复合。问题出在硅异质结（SHJ）底电池的微金字塔绒面上，绒面高度约600 nm，复合层在这里既有光学寄生损耗，自组装单分子层（SAM）又铺不均匀，长期拖累器件性能。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。

本文测了2到30 nm不同厚度的铟锡氧化物（ITO）互联层，发现8 nm这个超薄厚度在降光学损耗、提表面电势均匀性两方面都最好。叠加氧化镍（NiOx）修饰和Poly-SAM功能化之后，短路电流密度涨了0.85 mA cm⁻²，做到20.82 mA cm⁻²；光电转换效率31.80%；跑了500小时最大功率点跟踪，初始效率还剩96%。

实验方法

SHJ底电池用n型硅片，厚110 ± 10 µm，KOH双面制绒出约600 nm的金字塔绒面。RCA清洗之后，PECVD依次沉积钝化层和掺杂层：正面是8 nm本征a-Si:H(i)加15 nm的n型nc-SiOx:H(n)，背面是8 nm的p型a-Si:H(p)，然后背面溅110 nm ITO、蒸700 nm Ag。正面分别沉积2、5、8、10、20、30 nm六种厚度的ITO互联层，180°C退火，激光划片。

钙钛矿顶电池的流程是这样的：底电池先退火、紫外臭氧处理，磁控溅射NiOx，再退火再紫外臭氧。进氮气手套箱旋涂Poly-SAM（0.5 mg mL⁻¹，溶剂甲醇和氯苯1:1混），100°C退火。钙钛矿用的是Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃，带隙1.68 eV，两步旋涂，高速阶段滴氯苯做反溶剂，100°C烤20分钟。表面拿PDADI修饰一下，然后热蒸发C₆₀，ALD长SnO₂，溅45 nm IZO，蒸Ag电极，最后扣一层MgF₂减反射膜。

ITO互联层光电特性

(a)Rsh、Ne和µ随厚度的变化（n = 10）(b) ITO层的光学吸收率和反射率(c)功函数随厚度的变化(d) NiOx处理前后不同厚度的功函数偏移（ΔWF）(e) NiOx修饰ITO上SAM分布的示意图(f) 2–30 nm厚度互联ITO的KPFM表面电势面扫描图(g) 8 nm厚度互联ITO在NiOx和Poly-SAM功能化前后的KPFM表面电势面扫描图

霍尔效应测下来，方块电阻随膜厚增加而降，这符合预期。载流子浓度在8到30 nm之间比较稳，大概2.8到3.5 × 10²⁰ cm⁻³，但一过8 nm往下就开始掉。迁移率在2到8 nm这个窄区间里只微微降了一点，说明薄膜完整性还在。8 nm正好卡在方块电阻够低、电学性能没崩的甜区。

(a) 绒面c-Si底电池表面ITO层O 1s的XPS高分辨谱分峰拟合。(b) 绒面c-Si底电池上8 nm厚ITO层在NiOx修饰前后的XPS高分辨谱。(c) 绒面c-Si底电池上8 nm厚ITO层的截面SEM图像。(d) 8 nm厚ITO样品聚焦区域的对应EDS元素面扫描图，右上角标注不同颜色代表的元素

光学上，减薄ITO后450 nm以上的反射率和吸收率都往下走，原因是相消干涉加上自由载流子吸收变弱。UPS看到功函数随厚度减小而升，NiOx修饰再退火之后，8 nm处的功函数偏移最大。KPFM扫面发现亚10 nm的ITO把局部分流点全压住了，8 nm均匀性最好。XPS还看到一个有意思的点：8 nm ITO表面羟基密度比20 nm的高，这些羟基跟NiOx形成In─O─Ni桥键，让NiOx铺得更匀、贴得更牢，修饰之后In信号直接消失，说明覆盖层质量很好，给后面SAM自组装搭了个好底子。SEM和EDS也确认8 nm ITO在绒面上是保形覆盖的。

叠层电池光伏性能

(a)钙钛矿/硅叠层电池Jsc值的变化(b)钙钛矿/硅叠层电池Voc值的变化(c)钙钛矿/硅叠层电池FF值的变化(d) 钙钛矿/硅叠层电池PCE值的变化(e) ITO上叠层电池的截面SEM图像(f) ITO上钙钛矿薄膜的XRD图谱(g) ITO上钙钛矿薄膜的稳态PL光谱(h) 归一化稳态PL曲线(i) ITO上钙钛矿薄膜的瞬态TRPL衰减光谱(j) 叠层电池的光致发光图像，有效面积0.928 cm²

六种厚度的ITO互联层都做了J-V测试。

5 nm以下的Voc和FF掉得厉害，Voc压不到1.7 V，PCE才21.68%，主要原因是金字塔绒面上薄膜已经不连续了。

8 nm是最优解。截面SEM看到超薄ITO（不到10 nm）上钙钛矿晶粒更大、更致密，XRD也印证了结晶质量更好，不过5 nm那个样品冒出了PbI₂峰，说明已经开始降解。稳态PL强度从30 nm到8 nm一路涨，再往下又掉，8 nm正好是峰值，对应缺陷密度最低。

归一化PL的特征峰没挪位，说明界面非辐射复合的性质没变。TRPL测的载流子寿命同样在8 nm处最长。这些表现可以追溯到Poly-SAM带来的更强净偶极和更均匀的功函数，Voc和FF一起往上走。PL成像还揭示了钙钛矿子电池里有亚微米级的不均匀，但超薄高阻ITO层横向电阻率高，局部分流的影响范围被有效框住了，不至于拖累整体。

电流密度提升

(a) 8 nm厚ITO互联层下钙钛矿和硅子电池的EQE曲线(b) 初始和优化后叠层电池的EQE曲线

正面IZO层用品质因子Aw × Rsheet⁻¹评了一下，45 nm最合适。互联ITO从20 nm减到10 nm再减到8 nm，平均Jsc从19.78涨到19.96再到20.55 mA cm⁻²。EQE积分出来的钙钛矿和硅子电池电流密度分别是20.64和20.51 mA cm⁻²，跟J-V对得上。跟20 nm ITO比，8 nm给钙钛矿子电池多了0.06 mA cm⁻²，给硅子电池多了0.47，硅底电池近红外那段的贡献涨得最明显。

器件性能与稳定性

(a) 钙钛矿/硅叠层太阳电池结构示意图及实物照片(b)钙钛矿/硅叠层太阳电池的截面SEM图像(c)单结钙钛矿和硅子电池的J-V曲线(d)高性能电池的代表性J-V曲线(e) 基于30 nm至2 nm ITO互联层的钙钛矿/硅叠层电池Rs值的变化(f) 封装叠层电池在1倍太阳光强下的MPPT测试结果

ITO互联层厚度调完之后，叠层器件平均PCE从28.64%拉到30.67%。2 nm ITO的串联电阻Rs高达41.26 Ω，串联连接基本废了。8 nm的Rs低很多，内部阻抗降下来，最大功率点附近的电压损失就小了。稳定性方面，8 nm ITO的叠层电池跑500小时MPPT还剩96%初始PCE，20 nm的只有90%，在TCO/SAM互联体系里属于最稳的那一档。为什么稳？Poly-SAM覆盖率高，钙钛矿结晶跟着变好。SAM覆盖的区域表面能低，膦酸基团跟Pb²⁺、FA⁺配位，引导钙钛矿慢慢长、有序长，晶粒就大。裸ITO区域没有这个模板效应，成核又快又乱，晶粒小、晶界多。再加上Poly-SAM把界面上的不饱和键和卤化物空位钝化掉，卤化物迁移被压住，降解就慢。超薄ITO本身带来的均匀表面电势也帮了忙，几个因素叠在一起，器件寿命就上去了。

8 nm是钙钛矿/硅叠层电池ITO互联层的最优厚度。这个厚度既把钙钛矿结晶质量提上去了，又把寄生吸收压下来了。NiOx修饰加Poly-SAM功能化之后，表面电势更均匀，功函数偏移也更显著。8 nm ITO表面羟基多，NiOx铺得匀、SAM排得密，绒面保形性也经过了SEM和EDS的验证。跟常规20 nm ITO比，优化器件拿到31.80%的冠军效率，Jsc多了0.85 mA cm⁻²，500小时MPPT后还剩96%初始效率。

往后看，能改的地方还有不少。背面绒面和光学反射器可以继续优化，把硅底电池的光陷阱做强、电流提上去、电流匹配做好。FF和Voc仍然是限制整体效率的瓶颈，接触钝化策略还得往深了做。硅基隧穿结这类替代互联架构也值得试试。真到量产放大，TCO厚度和金属化栅线设计得一起调，大面积上既不能遮挡太多、横向导电也不能差。另外层厚减下来铟用量也少了，可持续性这块也受益。

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：Engineering a Conformal and Lossless Interconnect via Ultrathin ITO for High-Efficiency Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells