鈣鈦礦/硅（Pero/Si）串聯(lián)太陽(yáng)能電池作為突破單結(jié)效率極限的新興架構(gòu)，其理論效率可達(dá)40%以上，展現(xiàn)出顯著的產(chǎn)業(yè)化前景。然而，現(xiàn)有研究表明，其長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于單一材料的電池，這已成為制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。性能衰減主要源于復(fù)雜的界面失效：在光照和濕熱等運(yùn)行應(yīng)力下，鈣鈦礦層與硅襯底之間的埋底界面會(huì)發(fā)生明顯的協(xié)同降解。美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱專為驗(yàn)證評(píng)估組件或材料的可靠性，能達(dá)到快速升溫降溫，提升測(cè)試效率，滿足IEC61215等標(biāo)準(zhǔn)。

本研究發(fā)現(xiàn)界面穩(wěn)定性與互聯(lián)層的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，非晶態(tài)ITO等疏松結(jié)構(gòu)會(huì)加速離子和氫的互擴(kuò)散。基于此，研究提出界面工程的改進(jìn)方向：開(kāi)發(fā)致密的透明導(dǎo)電氧化物材料以增強(qiáng)阻隔性能，并在關(guān)鍵界面引入超薄原子層沉積阻擋層，以有效抑制離子和氫的遷移，從而為實(shí)現(xiàn)高效率、長(zhǎng)壽命的Pero/Si串聯(lián)光伏器件提供可行的技術(shù)路徑。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(a) 兩種前景廣闊的單片鈣鈦礦/硅串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖(b) J-V曲線及測(cè)量參數(shù)(c)MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤(d)濕熱穩(wěn)定性測(cè)試

研究選用兩種主流硅電池技術(shù)：TOPCon和HJT，與p-i-n型鈣鈦礦頂電池構(gòu)建單片集成結(jié)構(gòu)。在鈣鈦礦與硅的界面處引入自組裝單分子層和ITO作為互聯(lián)層。測(cè)試結(jié)果顯示，基于HJT的串聯(lián)器件初始效率略高于TOPCon版本，主要得益于其優(yōu)異的表面鈍化能力帶來(lái)的更高開(kāi)路電壓與填充因子。

穩(wěn)定性測(cè)試與宏觀衰退現(xiàn)象

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在標(biāo)準(zhǔn)ISOS-L-3（光照）與ISOS-D-3（濕熱）老化測(cè)試中，兩類串聯(lián)器件均表現(xiàn)出顯著的性能衰減。Pero/HJT器件的衰減速度明顯快于Pero/TOPCon，其T90（保持初始效率90%的時(shí)間）在光照測(cè)試中僅86小時(shí)，遠(yuǎn)低于后者（367小時(shí)）。這一現(xiàn)象提示，非晶硅基HJT結(jié)構(gòu)可能在界面穩(wěn)定性方面存在固有弱點(diǎn)。

鈣鈦礦界面分解過(guò)程

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(a) Pero/TOPCon和(b) Pero/HJT串聯(lián)器件的掃描電子顯微鏡圖像(c) Pero/TOPCon和(d) Pero/HJT串聯(lián)器件中對(duì)照鈣鈦礦與埋底鈣鈦礦在熱老化和光老化后的Pb 4f X射線光電子能譜(e) Pero/TOPCon和(f) Pero/HJT堆疊結(jié)構(gòu)在加速熱老化前后的二維掠入射廣角X射線散射圖像

通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）與X射線光電子能譜（XPS）分析發(fā)現(xiàn)，老化后鈣鈦礦埋底界面出現(xiàn)大量碘化鉛（PbI?）析出，且HJT樣品的分解程度更為嚴(yán)重。原位掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）進(jìn)一步揭示，熱應(yīng)力下鈣鈦礦向PbI?的轉(zhuǎn)化在HJT上發(fā)生更早、更快，表明非晶界面結(jié)構(gòu)加速了鈣鈦礦的離子遷移與去質(zhì)子化進(jìn)程。

硅襯底界面鈍化失效

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(a) Pero/Si熱老化過(guò)程中埋底硅電池的光致發(fā)光mapping圖像追蹤(b) Pero/Si熱老化過(guò)程中埋底硅電池的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法測(cè)得有效載流子壽命追蹤(c)電化學(xué)電容-電壓法測(cè)得的埋底硅在Pero/Si 熱老化前后的活性載流子濃度深度分布(d)四探針?lè)y(cè)得的埋底ITO/硅堆疊在 Pero/Si老化前后的薄層電阻

光致發(fā)光PL成像與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)測(cè)試顯示，老化過(guò)程中埋底硅電池的載流子壽命顯著下降，且HJT結(jié)構(gòu)的衰減幅度更大。電化學(xué)電容-電壓分析表明，硅近表面區(qū)域的活性載流子濃度下降，同時(shí)薄層電阻上升。這些變化被歸因于鈣鈦礦層遷移過(guò)來(lái)的離子（如I?、有機(jī)陽(yáng)離子）與硅中氫的相互作用，導(dǎo)致表面缺陷增多、摻雜劑失活。

界面失效的微觀機(jī)制

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(a) Pero/TOPCon和(b) Pero/HJT串聯(lián)界面的透射電子顯微鏡-快速傅里葉變換圖像(c) Pero/TOPCon和(d) Pero/HJT串聯(lián)界面在熱老化后的掃描透射電子顯微鏡-能量色散X射線光譜元素分布圖(e) Pero/TOPCon和Pero/HJT串聯(lián)界面在熱老化前后的飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜深度剖面(f)埋底HJT硅在熱老化前后的近表面拉曼光譜

透射電鏡與快速傅里葉變換分析表明，沉積于非晶a-Si:H上的ITO呈非晶態(tài)，而沉積于多晶硅上的ITO為結(jié)晶態(tài)。非晶ITO具有更多孔隙與缺陷，為離子與氫的遷移提供通道。元素分布成像（STEM-EDX）與飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）證實(shí)，老化后I?與含氮物種在HJT界面穿透更深。拉曼光譜進(jìn)一步檢測(cè)到HJT中Si-H鍵的減少與結(jié)構(gòu)無(wú)序化加劇，說(shuō)明氫從a-Si:H層中逸出并參與界面反應(yīng)。

本研究為鈣鈦礦/硅串聯(lián)器件中界面驅(qū)動(dòng)的相互作用和降解提供了機(jī)制性證據(jù)。埋底界面處富含羥基的非晶ITO促進(jìn)了鈣鈦礦離子和硅-氫的遷移，從而可能加速Pero/HJT中陽(yáng)離子去質(zhì)子化、PbI?形成及硅表面無(wú)序化。由此可見(jiàn)，透明導(dǎo)電氧化物的具體選擇和加工很可能調(diào)節(jié)了報(bào)道的離子/氫遷移路徑。

因此，建議未來(lái)旨在抑制界面相互作用的串聯(lián)設(shè)計(jì)應(yīng)：（a）考慮采用具有更好阻隔性能的致密TCO（如優(yōu)化的ITO/IZO）；（b）探索引入額外的超薄保形阻擋層（如ALD生長(zhǎng)的氧化物）以阻隔離子/氫傳輸。理解和解決這些因素對(duì)于實(shí)現(xiàn)下一代高效率串聯(lián)光伏器件的大規(guī)模、長(zhǎng)壽命應(yīng)用至關(guān)重要。

美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱

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美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱采用進(jìn)口溫度控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)多段溫度編程，具有高精確度和良好的可靠性，滿足不同氣候條件下的測(cè)試需求。

溫度范圍：20℃~+130℃

溫濕度范圍：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：IEC61215、IEC61730、UL1703等檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱通過(guò)精確控制紫外輻照劑量與85°C/85%RH的濕熱環(huán)境，為鈣鈦礦光伏組件的可靠性評(píng)估提供了關(guān)鍵測(cè)試條件。

原文參考：Revealing the Interface Degradation of Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Photovoltaics

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