在太阳能电池领域，钙钛矿/硅叠层太阳能电池(TSCs)因其超越单结电池理论极限的潜力而备受瞩目。目前认证的最高效率已达34.85%，但高性能器件多依赖于表面抛光或具有亚微米级纹理(金字塔尺寸<500纳米)的硅电池，这与当前商业化大尺寸绒面硅片(金字塔尺寸1-3微米)的生产线兼容性较差。今日，通威太阳能&电子科技大学团队通过创新的结晶调控策略，在完全织构化的商用硅基底上成功制备出高质量宽带隙钙钛矿薄膜，实现了效率高达31.4%的两端单片钙钛矿/硅叠层太阳能电池，这一成果已发表于《ACS Energy Letters》。
研究背景
商用硅太阳能电池通常具有1-3微米的金字塔表面织构，这种结构虽然能增强光捕获能力，但是在该织构化的晶体硅(c-Si)基底上制备高质量的宽带隙钙钛矿薄膜面临巨大挑战。采用流行的“气相-溶液混合两步法”沉积时，有机盐与致密的气相沉积无机框架之间的扩散反应难以控制。主要问题包括：
成分分布不均：钙钛矿薄膜底部相转换不完全。
大量缺陷：产生明显的非辐射复合损失。
残留未反应物：底部存在未反应的PbI₂等。
关键发现：湿度是把双刃剑
研究人员深入研究了不同湿度条件对气相沉积无机框架(PbI₂等)向目标钙钛矿相转换过程的影响，成功解析了水分和热量在钙钛矿结晶和降解过程中的复杂效应：
促进作用(适度高湿度)：在退火初期(如前5分钟)，提高环境相对湿度(RH)至50%和70%，能显著促进有机卤化物(如FAI)向无机框架内部的扩散和钙钛矿相的形成。SEM和XRD显示，高湿度下短时间退火后，底部界面残留物显著减少甚至几乎消失。XRD中钙钛矿(001)衍射峰的半高宽(fwhm)在50%和70% RH下前5分钟快速减小，表明结晶度快速提高。这归因于H₂O分子与FA⁺离子之间易形成新的氢键，导致钙钛矿部分解离，促进有机盐向无机框架深部渗透。
破坏作用(长时间高湿度)：若在较高湿度(如50%，尤其70% RH)下延长退火时间，会导致薄膜中产生空洞和杂质相。XRD显示钙钛矿(001)峰fwhm随退火时间延长而单调增宽，峰位向低角度偏移，表明已形成的钙钛矿相发生降解，MA⁺组分挥发，形成PbI₂等缺陷和降解产物。高温(150°C)加剧了这一降解过程。
创新方案：两步顺序结晶调控策略
为解决湿度带来的“促进扩散”与“导致降解”这一矛盾，研究团队提出了一种创新的顺序结晶调控策略：
第一步(促进扩散与转换)：在退火初始阶段(~5分钟)，精确控制高湿度(70% RH) 和高温(150°C)。高温保证快速成核和钙钛矿薄膜的保形生长，高湿度极大促进有机卤化物向无机框架深部的扩散和钙钛矿相的完全转换。
第二步(抑制降解与再结晶)：随后将环境湿度降低至极低水平(~5% RH)，同时将温度降至130°C。低湿度环境有效抑制了钙钛矿相的水致降解，而130°C的温度既能将第一步中可能产生的表面少量降解产物PbI₂重新转化为钙钛矿相，又避免了过高温度(150°C)导致MA⁺组分挥发或过低温度(100°C)不足以转化PbI₂的问题。
成果表征：高质量薄膜与高效器件
该策略取得了显著效果：
成分均匀：XPS深度剖析和ToF-SIMS显示，目标薄膜的A位阳离子(Cs⁺, FA⁺)从表面到体相分布高度均匀，克服了对照薄膜(30% RH一步退火)底部富Cs⁺、顶部富FA⁺的异质分布问题。
完全转换与保形覆盖：侧视SEM清晰显示目标薄膜在完全织构化的硅基底上实现了完全相转换和优异的保形覆盖，底部无残留反应物(如PbI₂)，而对照薄膜底部存在明显残留。俯视SEM显示目标薄膜孔洞形成被显著抑制。
缺陷减少：目标薄膜的XRD峰更强且PbI₂杂峰更弱，光致发光(PL)强度和准费米能级分裂(QFLS)值显著更高且分布更均匀，表明薄膜结晶质量更高、缺陷减少、非辐射复合损失降低。
将优化后的宽带隙钙钛矿薄膜(带隙~1.73 eV)与商用绒面c-Si底电池(厚度110 μm，金字塔尺寸1-3 μm)结合，制备了两端(2T)单片式钙钛矿/硅叠层太阳能电池:
性能飞跃：采用优化顺序结晶策略制备的目标器件实现了31.58% 的最高光电转换效率(PCE)(经认证效率为31.4%)，其开路电压(Voc)为1.918 V，填充因子(FF)为80.99%，短路电流密度(Jsc)为20.33 mA/cm²。
显著提升：与采用传统一步退火(30% RH)的对照器件(PCE：29.43%， FF：75.67%)相比，目标器件的效率提升主要源于FF的大幅提高(超过5个百分点)，这直接归因于底部界面未反应PbI₂的消除、均匀的结晶以及缺陷的减少。
性能稳定：目标器件在J-V扫描中滞回效应被显著抑制，并在1.66 V偏压下连续跟踪600秒实现了31.5%的稳定功率输出(SPO)，显著高于对照器件的29.14%(1.61 V下稳定)。
光谱匹配：外量子效率(EQE)光谱表明钙钛矿顶电池和硅底电池的积分电流密度(Jsc)分别为20.19 mA/cm²和20.44 mA/cm²，与J-V曲线结果一致，满足光管理要求。
意义与前景
这项工作通过深入研究湿度在钙钛矿结晶过程中的双重作用，创新性地开发了顺序结晶调控策略，成功解决了在大尺寸织构化的商用硅片上制备高质量宽带隙钙钛矿薄膜的核心难题：
精细调控：通过精确控制退火过程中的湿度和温度，巧妙平衡了有机卤化物扩散(需要适度高湿度促进)与钙钛矿相稳定(需要低湿度防止降解)之间的矛盾。
高质量薄膜：实现了在具有大金字塔结构的商用硅片上保形生长化学成分均匀、缺陷减少的高质量钙钛矿薄膜。
高效器件：将基于商用织构化硅片的钙钛矿/硅叠层太阳能电池的效率提升至经认证的31.4%，这是目前报道的使用该类商业化硅片的最佳性能之一。
产业兼容：该策略为产业兼容的高性能钙钛矿/硅叠层太阳能电池制造提供了一条简便且极具前景的路径，有望加速其商业化进程。
文献分享：
Crystallization Modulation of Wide-Bandgap Perovskites on Textured Silicon for Tandem Solar Cells.Lin Wu,Jiawei Zhang,Ying Guo,Sai Bai,Yuchao Hu,Wei Long and Guoqiang Xing
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202508/18/50006342.html
