钙钛矿/硅叠层是突破单结电池效率天花板最现实的路线。宽禁带钙钛矿吸收短波，硅吸收长波，两者叠加的理论极限超过 43%。目前报出的认证纪录是 1.0 cm² 的 35.2% 与工业尺寸 261.0 cm² 的 34.3%。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。

夹在两个子电池中间的是复合层。它决定电子与空穴在哪里复合，也决定有多少光能穿过它进入硅底电池。现有主流方案分两类。含铟透明导电氧化物（TCO）透明度与导电性都好，问题是横向电导率太高，会加重分流缺陷带来的漏电，把填充因子（FF）与开路电压（Voc）一起压下去。硅基隧穿结的麻烦在寄生吸收，短路电流密度（Jsc）因此受限。

本文换一种材料：钛氧氮化物。它不含铟，用反应磁控溅射沉积，工艺本身可规模化。

实验室尺寸：冠军 33.3%，2000 h保持90%

（a）器件结构示意；（b）HAADF-STEM 与 EDX 元素分布，确认约 8 nm 连续 TiOxNy 层；（c）冠军器件光照 J–V 曲线；（d）稳态功率输出；（e）EQE 与反射谱；（f）MPP追踪（ISOS-L-1I）；（g）85 °C/85% 相对湿度湿热老化（ISOS-D-3）

底电池是双面绒面的硅异质结（SHJ）电池。绒面既减反射，也便于共形沉积。溅射出的 TiOxNy 在界面处连续均匀，厚度约 8 nm，上接 C60、SnO2、铟锌氧化物（IZO）与 MgFx 等功能层。

1 cm² 冠军器件效率33.30%，开路电压 1.988 V、短路电流密度 20.91 mA/cm²、填充因子 80.11%。稳态输出 33.04%，JET独立认证 32.8%。IZO 对照为 32.34%，差距主要出在 Voc（1.965 V）与 FF（78.41%）上。TiOxNy 的平均效率也更高，32.77% 对 31.22%。Suns-Voc 分析给出的增益是两个数：Voc 提高 23 mV、FF 绝对提升 1.7 个百分点，指向界面电荷抽取改善与串联电阻下降。

25 °C、1 sun、氮气下连续最大功率点（MPP）追踪，TiOxNy 器件 2000 h 后保持初始效率的 90%（T90 = 2000 h），IZO 对照的 T90 只有约 900 h。数据分解显示衰减主要走电压通道：IZO 器件的并联电阻（Rsh）从 7590 掉到 1830 Ω·cm²，Vmpp 随之明显下滑；TiOxNy 器件的 Rsh 与 Vmpp、Jmpp 全程平稳。85 °C/85% 相对湿度湿热 1000 h，TiOxNy 保持 92.4%，对照 80.3%。两类老化后，TiOxNy 器件截面形貌连续、无分层，PL mapping 在整个有效区发光均匀；对照器件出现界面起伏与局部淬灭。

工业尺寸：认证 30.6%，85 °C 老化保持 85.4%

（a）207.87 cm² 器件 J–V 曲线及小组件照片；（b）稳态输出；（c）EQE；（d）MPP追踪（ISOS-L-2I）；（e）85 °C/85% 相对湿度湿热老化

工业线用 210 mm × 105 mm 基片，钙钛矿顶电池改狭缝涂布。单片电池制成的小组件有效面积 207.87 cm²，认证效率 30.6%，正反扫迟滞可忽略，稳态输出 30.43%。

工业器件 Jsc 明显低于实验室尺寸，为 18.41 mA/cm²。原因有几个：封装、丝网印刷金属细栅，以及 SHJ 底电池没有背反射器，光学损失叠加在一起。放大过程中 TiOxNy 的电流保持优于 IZO，损失 2.50 mA/cm²，对照 2.79 mA/cm²。FF 升到 85.24%，部分补回了电流损失。SPICE 模拟把这个高 FF 归于分流损失与边缘复合降低，加上电流失配把工作点推向高 FF 区。Voc 维持在 1.95 V，与实验室尺寸器件相当。

稳定性同样分两档：85 °C、1 sun、氮气下 MPP 追踪 800 h，TiOxNy 保持 85.4%，对照 69.6%。这里的衰减与 25 °C 不同，Jmpp 与 Vmpp 同时下滑：热增强的动态分流与离子迁移在降低 Rsh 与有效收集面积。TiOxNy 的高横向电阻抑制了丝状传导扩展，衰减因此更慢。湿热 1000 h，小组件保持 90%，对照 75.2%。

为什么有效：把一个准金属相嵌进氧化物

（a、b）Ti 2p 与 N 1s XPS 谱；（c）方阻随厚度变化；（d）不同厚度透过率谱；（e）厚度对效率的影响；（f）SAM 锚定前后能带位置与功函数；（g、h）TiOxNy 与 IZO 叠层的模拟能带图

沉积条件固定为 Ar/N2 = 99:1（总流量 15 sccm）、200 W、1×10⁻⁴ Pa，沉积后在空气中 200 °C 退火 30 min。XPS 显示 Ti–O、Ti–N、Ti–ON 三种成键态共存，即 TiO2、TiN 与 TiON 三相同在。元素比 Ti 34.1%、O 39.9%、N 26.0%，接近 Ti2.75O3N2 的化学计量。光学带隙 3.36 eV。

真正起作用的是嵌在 TiOxNy 里的准金属 TiN 相，它带来高电子浓度 1.57×10²² cm⁻³ 与低迁移率 0.3 cm² V⁻¹ s⁻¹。方阻随厚度快速下降：4、8、12 nm 分别对应 6932、3041、1852 Ω/□，IZO（10 nm）为 1270 Ω/□。代价是近红外透过率下降，厚度越大寄生吸收越重，所以存在一个折中点。综合电学与光学，约 8 nm 最优。TiOxNy 与 SHJ 底电池的接触电阻率也更低，28 mΩ·cm² 对 IZO 的 45 mΩ·cm²。

沉积态 TiOxNy 的功函数为 4.41 eV，锚定混合自组装单分子层（SAM）后升到 5.06 eV，偏移 +0.65 eV；IZO 只偏移 +0.31 eV。按 Helmholtz 方程，更大的偏移意味着 SAM 在 TiOxNy 表面形成的偶极密度更高，更有利于载流子在钙钛矿/SAM/TiOxNy 界面转移。SCAPS-1D 模拟显示，把 IZO 换成 TiOxNy 消除了复合层/nc-SiOx(n) 界面的能垒，电子从硅底电池抽出更顺。把 TiOxNy 的电子浓度人为降到 10²⁰ cm⁻³，势垒随即升高，说明高载流子浓度带来的电荷屏蔽确有其功。

界面机制：氮原子多给了SAM一只手

（a）双齿吸附构型示意；（b）MeO-4PACz 与 4PADCB 在两种衬底上的结合能；（c）三齿吸附构型示意；（d）COHP/ICOHP 分析；（e、f）SAM 修饰前后 KPFM 图（比例尺 400 nm）；（g–l）C 1s、O 1s、N 1s XPS 谱

SAM要靠锚定基团抓住复合层表面。常规溅射 TCO 的羟基稀少，SAM 覆盖密度低、均匀性差。

本文用 MeO-4PACz 与 4PADCB 按 2:1 摩尔比配成混合 SAM，效果最好。前者改善润湿性，后者提供位阻、抑制聚集，让分子以平行取向排列。密度泛函理论（DFT）计算给出了更清楚的原因：在 TiOxNy 上，SAM 除了通过 Ti–O 双齿配位结合，还能与相邻的氮原子作用，形成三齿吸附，结合能增强到 MeO-4PACz 的 −6.38 eV 与 4PADCB 的 −6.53 eV。作为对比，双齿构型的结合能落在 −4.71 至 −5.39 eV 区间。晶体轨道 Hamilton 布居分析显示，N–O 键的积分 COHP 为 −4.24 eV，Ti–O 只有 −1.61 eV，氮参与的键明显更强。

实验侧的证据一致。SAM 锚定后，TiOxNy/SAM 的 P–O/Ti–O 比为 0.71，IZO/SAM 只有 0.43。FTIR 谱里 IZO 上明显的 P=O 与 P–OH 伸缩峰，在 TiOxNy 上几乎消失，说明膦酸基团缩合更完全、P–O–Ti 共价键更强。导电原子力显微镜测得 TiOxNy/SAM 的空穴注入电流更高（13.2 nA 对 8.7 nA），电子漏电流更低（7.3 nA 对 8.3 nA）。SAM 抓得更牢、铺得更满，界面漏电随之收敛。

缺陷少了，复合损失跟着降

（a、b）IZO/SAM 与 TiOxNy/SAM 上钙钛矿的 GIWAXS 图；（c）PL 谱；（d、e）PL 成像（比例尺 0.5 cm）；（f–h）TRPL 谱、PLQY 与 QFLS；（i）光强依赖 QFLS

SAM 铺得好，钙钛矿结晶也跟着受益。钙钛矿前驱体在 TiOxNy/SAM 上的接触角接近 0°，IZO 上是 9.3°。埋底界面 SEM 显示，TiOxNy / SAM上是致密多边晶粒、边界清晰、覆盖完整；IZO/SAM 上晶粒不规则、覆盖不全。

GIWAXS显示，TiOxNy/SAM 上钙钛矿在 qr ≈ 1.0 Å⁻¹ 的 (100) 衍射强度更高，XRD 给出同样结论。结构改善直接落到光电性质上：TRPL 的渐近微分寿命超过 7.1 μs，IZO/SAM 只有约 5.4 μs。绝对光致发光量子产率（PLQY）从 0.209% 升到 0.397%，对应的准费米能级分裂（QFLS）从 1.253 eV 升到 1.269 eV。光强依赖 QFLS 拟合出的理想因子从 1.54 降到 1.46，说明 Shockley–Read–Hall 复合被压低。改善来自两处：能级排列与表面电势均匀性优化，降低了缺陷密度；TiOxNy 与 SAM 之间更强的化学作用，在结晶过程中起了钝化与外延模板的双重作用。功能层做实了，Voc 与 FF 才有提升空间。

用一层约 8 nm 的无铟 TiOxNy 替掉 IZO，实验室尺寸 1 cm² 冠军器件做到 33.30%、认证 32.8%，工业尺寸 207.87 cm² 小组件认证 30.6%，两档的湿热与光照老化都优于对照。机制上能确认三条：氮原子为 SAM 提供额外的三齿锚定位点，使覆盖更致密、界面漏电更低；高载流子浓度的准金属 TiN 相保证复合层导电与能带排列；更牢的 SAM 反过来调控钙钛矿结晶、降低界面缺陷。对产业化而言，反应溅射本身是成熟工艺，原料不含铟，这是从实验室效率走向组件量产必须补上的一环。

美能钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT

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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：High-performance perovskite/silicon tandem solar cells enabled by multifunctional titanium oxynitride recombination layers

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