文章概述
本研究报道了一种新型的钙钛矿-硅串联太阳能电池结构，通过在工业纹理硅(ITS)基底上构建类似冰山的金字塔形貌，实现了33.15%的认证转换效率。利用二氧化硅(SiOx)纳米球在硅金字塔谷底形成局部亚微米接触，有效解决了传统工业纹理硅表面难以均匀覆盖自组装单分子层(SAM)和高质量钙钛矿沉积的难题。这种设计不仅保持了硅基底的光捕获优势，还显著降低了界面复合损失并改善了载流子传输。通过优化SiOx纳米球的填充浓度(5 mg mL⁻¹)和钙钛矿带隙(1.67 eV)，获得了电流匹配的串联器件。稳定性测试表明，这种结构在85°C/85%RH条件下1100小时后仍保持86.7%的初始效率，在80°C连续光照1000小时后保持91.7%的效率，显著优于传统结构。该研究为工业兼容的高效稳定钙钛矿-硅串联太阳能电池提供了新思路。
创新点分析
1)通过SiOx纳米球局部填充实现工业纹理硅表面的形貌调控
2)开发了新型局部亚微米接触结构，解决了粗糙表面SAM覆盖不均和钙钛矿沉积困难的关键问题
3)揭示了金字塔谷底钙钛矿结晶质量与器件稳定性的内在关联，为界面工程提供了新见解
深度精读
Figure 1展示了在纹理硅上SAM锚定和钙钛矿沉积的表征。图1a示意了SiOx填充和2PACz沉积过程，图1b显示100nm SiOx纳米球能有效填充硅金字塔谷底。通过AFM-IR(图1c)和KPFM(图1d)证实，SiOx调控后的ITS基底上2PACz分布更均匀，接触电位差更均一。SEM图像(图1e,f)显示，传统ITS基底上钙钛矿无法完全覆盖金字塔尖端，而SiOx填充形成的"冰山式"结构使钙钛矿获得类似平面基底的均匀沉积。这些结果验证了局部亚微米接触结构在改善界面质量和薄膜覆盖方面的优势。
图2 研究了局部亚微米接触的载流子动力学。图2a,b分别展示了ITS(SiOx)和STS基底上钙钛矿顶电池的结构示意图。EBIC图像(图2c)显示，两种结构都表现出强烈的信号，表明局部接触结构具有良好的载流子收集能力。图2d的EBIC线扫描证实C60/钙钛矿异质结在载流子收集中起关键作用。通过模拟不同扩散长度的J-V曲线(图2e)，发现载流子扩散长度增加会显著提升填充因子。光学反射测试(图2f)表明SiOx填充不仅没有损害光捕获能力，反而通过其折射率介于空气和硅之间的特性进一步降低了反射损失。
图3展示了串联电池的光电调控性能。图3a为完整串联电池结构示意图。反射测试(图3b)显示ITS(SiOx)结构具有最低的光学损失。通过优化SiOx浓度(图3c)，5
mg mL⁻¹获得了最佳性能，平均效率达32.2%，优于STS基底的31.8%。最佳实验室器件(图3d)实现了32.57%的效率(Jsc=20.66 mA/cm²，Voc=1.955 V，FF=80.67%)。EQE谱(图3e)和PL测试(图3f)指导了钙钛矿带隙优化，最终1.67eV带隙的稳态效率达33.08%，认证效率达33.15%(图3h)，创下基于工业纹理硅的串联电池效率纪录。
图4研究了串联电池的稳定性。SEM图像(图4a)显示，传统STS基底上钙钛矿在金字塔谷底优先分解，而ITS(SiOx)结构表现出更好的热稳定性。在85°C/85%RH条件下(图4b)，ITS(SiOx)器件1100小时后保持86.7%效率，优于STS器件的81.8%。在80°C连续光照MPPT测试中(图4c)，ITS(SiOx)器件1000小时后保持91.7%效率，显著优于STS器件的78.4%。这些结果证实SiOx填充强化了金字塔谷底的界面质量，有效提升了器件稳定性。
文章来源
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62389-3
