钙钛矿/硅叠层太阳能电池(Perovskite/Si Tandem)将宽带隙钙钛矿电池作为顶电池，与窄带隙晶硅电池串联，以更充分地利用太阳光谱，从而突破晶硅单结电池约29%效率上限。近年来，该领域取得了迅速进展，单片集成的2端口(2-T)钙钛矿/硅叠层电池效率不断刷新，已从2017年的23.6%提升至超过29%。然而，距离理论预期的>30%效率仍有差距，主要原因在于器件存在各类光学和电学损失。本文将从光损失、电损失和电流失配损失三个方面，对钙钛矿叠层太阳电池的效率限制进行技术分析，并结合文献中的研究结果(包括Albrecht和Bush等人的工作)阐述优化策略。
光损失分析
光损失主要包括界面反射损失和各功能层的寄生吸收损失。在叠层电池中，入射光经过玻璃/封装层、透明电极和钙钛矿顶电池后再进入硅电池，每个界面折射率的不匹配都会引入反射损失。此外，为连接顶/底电池而设置的透明电极(如ITO/IZO)、电荷传输层(如有机空穴传输层PTAA、电子传输层C_60)、中间耦合层以及背电极等，往往并不完全透明，在一定波段会吸收光子，造成寄生吸收损失。这些光学损耗直接减少了能被两节电池吸收利用的光子数，因而降低叠层电池的短路电流密度J_SC和总发电效率。
图1所示，某钙钛矿/硅叠层太阳电池的外量子效率(EQE)和总透射率(1-R)光谱，以及由反射和寄生吸收引起的光电流损失分布。在紫外和近红外区域的光损失尤为显著：紫外区域主要由顶电极IZO、SnO₂电荷传输层和C₆₀电子传输层吸收光子;近红外区域则有顶层IZO、层间连接用的ITO、以及背面的铝掺杂氧化锌(AZO)和银电极对光子产生吸收。整体而言，未被两节电池吸收的光(包括反射和各层寄生吸收)相当于损失了约4.65 mA·cm−2的光生电流，其中750–1050 nm波段的反射损失约占1.9 mA·cm−2。由此可见，减少界面反射和各功能层的光吸收是提高叠层电池光电流的关键。研究者已经探索了多种降低光损的技术，例如使用抗反射膜/纹理结构降低界面反射，以及优化电池结构材料以减小寄生吸收。例如，Sahli等人通过在晶硅表面采用杂化沉积的全纹律结构，大幅降低了顶电池对硅的反射，顶电池表面附加的微米级纹理使入射光在界面多重散射，从而使硅电池的光吸收显著增强。这一光学改进使叠层电池短路电流提升到19.5 mA·cm−2，认证效率达到25.2%。类似地，在平面结构中引入折射率匹配的中间层(例如约95 nm的n型微晶SiOx:H层)可以减少界面反射，将更多光耦合进硅底电池。总之，优化光学结构(抗反射层、折射率梯度层、纹理化表面等)以及采用高透过率的电极和传输层材料，是降低光损失、提高叠层电池光电流输出的重要手段。
电损失分析
电损失主要源于器件各层的电阻和界面电荷传输效率不佳，包括透明电极和电荷传输层的片电阻所导致的串联电阻损耗、以及界面复合导致的电压损失等。对于单片集成的叠层太阳电池，由于顶电池必须采用半透明电极(如ITO或IZO)取代金属栅线覆盖整个电池表面，其厚度和电阻率需要在光学和电学性能间折中。如果透明电极做得较厚，电阻小有利于载流子横向传输，但会吸收更多的入射光，增加光损失;相反如果过薄，则光透过增加但片电阻升高，导致载流子在横向传输时产生较大欧姆损耗，降低填充因子FF。例如，Albrecht团队通过模拟发现，将顶层IZO电极厚度由130 nm减薄至90 nm，可减少约0.32 mA·cm−2的光吸收损失，从而增加相应的光生电流;但进一步减薄至90 nm以下时，器件片电阻显著升高，FF反而下降，因此他们选取约90 nm作为优化厚度。此外，他们还调整了IZO溅射工艺，在沉积气氛中引入0.2%氧气以调节薄膜的载流子浓度和禁带宽度，实现透明度与电导率的平衡。这种方法降低了IZO在近红外区的自由载流子吸收，同时保证了足够低的片电阻，有利于兼顾光学透过率和电学性能。
除了透明电极之外，空穴和电子传输层的导电性也会影响串联电阻。典型的钙钛矿顶电池空穴传输层如PTAA(有机聚合物)或NiOx，电子传输层如C₆₀或SnO₂。当这些层厚度过大或本身电导率偏低时，会增加载流子提取路径上的阻抗，引起FF下降和欧姆损耗发热。为此，研究人员常对电荷传输层进行厚度优化或材料改性。例如Bush等人报道，将原先使用的NiOx空穴传输层替换为更有利于提取电洞且缺陷复合少的PTAA，并适当控制厚度，可以提高开路电压和填充因子。同时，他们在顶电极上引入金属微电极(如细栅线或透明导电网格)以缩短载流子横向运输距离，降低串联电阻损耗。虽然添加金属栅会遮挡部分光线，但只要设计合理(如网格线足够细且间距优化)，其对光电流的负面影响远小于对电学性能的提升。综合来看，通过优化透明导电层和传输层的厚度、材料以及引入辅助集电结构，可以显著降低电学损失。例如，Bush等人综合采用上述措施，实现了25%的叠层电池效率，其中开路电压提升至1.77 V，短路电流密度18.4 mA·cm−2，显著优于优化前的23.6%效率器件。
电流失配损失分析
在单片集成的2端口叠层结构中，由于顶电池和底电池串联连接，整个叠层的电流受限于电流较小的那一节电池。如果两节电池产生的光电流不匹配(即“电流失配”)，电流较大的那节电池的部分光子将无法贡献电流，从而造成效率损失。理想情况下，应使顶、底电池在标准光谱下产生尽可能相等的光电流(即达到电流匹配)，以充分利用每个光子。实现电流匹配主要有两种策略：其一是调整顶电池的吸收层带隙和厚度，使其吸收适量光子，预留足够的长波光给底硅电池;其二是通过改变钙钛矿组成提高其带隙，从源头上减少顶电池的光电流产生能力，同时提高其电压，从而实现与底电池在功率上匹配。例如，Bush等人将钙钛矿的带隙由约1.63 eV提高到1.68 eV，同时细化顶电池厚度以控制透过硅的光谱，从而在仅略微降低顶电池电流的同时显著提高了叠层电池的开路电压，实现两节电池接近电流匹配，效率提升至25%。相反，如果电流严重失配，如Albrecht等人早期器件中钙钛矿顶电池产生约20.7 mA·cm−2而硅电池只有17.8 mA·cm−2，则整体电流被限制在17.8 mA·cm−2，损失的2.9 mA·cm−2电流对应的光子并未有效利用。这种失配不仅降低J_SC，还可能影响填充因子：实验发现当两子电池电流高度失配时，叠层电池FF反而略有提升，部分弥补了J_SC的下降，但当电流接近匹配时FF达到最低。这一现象可以通过串联电路中功率匹配条件与电流匹配条件差异来解释。总的来说，在设计叠层电池时应优先追求两节电池的功率匹配(即在工作点两节输出功率相等)，而电流匹配是实现功率匹配的近似前提和方便衡量的指标。
为减小电流失配损失，需合理选择钙钛矿顶电池的带隙(通常在1.65–1.75 eV范围，以匹配硅的响应)并优化其厚度使顶部和底部电池在标准太阳光谱下产生相等的电流。同时，由于实际阳光光谱会随时间、天气改变，即使在AM1.5标准下匹配的电池在实地使用中也会出现瞬时失配。对此，研究者提出放宽电流匹配的要求，利用钙钛矿顶电池的宽光谱发光(发光耦合效应)在一定程度上补偿弱光谱下底电池电流不足的问题。另外，提高电池的光致发光效率和降低各子电池老化速率差异，也有助于长期运行中缓解失配损失。
综上，电流失配是限制2端口叠层电池效率的固有因素之一。通过材料和结构设计使顶/底电池在尽可能广的工作条件下保持电流匹配或功率匹配，可最大程度减少此类损失。Albrecht等人通过改善顶电极光学、优化层厚，实现了钙钛矿和硅电池接近19
mA·cm−2的电流匹配，将叠层效率提高到26%。他们的模拟进一步指出，若两节电池性能均达到各自单结记录水平且完美匹配，钙钛矿/硅叠层有望达到31%以上的效率。这也为未来优化指明了方向，即持续提高钙钛矿材料品质和能带可调性、降低光学和电学损失，并实现对硅电池电流的精细匹配，才能充分释放叠层架构超越Shockley-Queisser极限的潜力。
结论
钙钛矿/硅叠层太阳能电池作为新一代高效光伏器件，其性能受到多种能量损失机制的影响。光损失方面，应通过减少多层界面反射和各功能层寄生吸收来提高光利用率;电损失方面，需要优化透明电极和传输层的厚度与材料以降低串联电阻，并平衡光电特性;而电流失配损失则要求顶/底电池在设计上实现电流(或功率)的匹配。当前研究表明，采用抗反射纹理、低吸收高导电的电极材料、引入金属栅以减阻，以及调整钙钛矿的带隙与厚度等综合手段，已使叠层电池效率接近30%。展望未来，通过进一步提升钙钛矿薄膜质量(降低非辐射复合)、改进界面接触(减少载流子复合和势垒)、以及更精细的光谱匹配设计，钙钛矿叠层电池有望突破现有效率纪录，迈向商业应用。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202506/23/50003265.html
