"冰山状金字塔"结构助力工业级纹理硅基钙钛矿-硅叠层太阳能电池突破33%效率瓶颈

为解决工业级纹理硅(ITS)表面金字塔结构导致的空穴传输层覆盖不均和钙钛矿沉积质量差等问题，浙江大学团队创新性地采用SiOx纳米球构建局域亚微米接触，实现了33.15%认证效率的钙钛矿-硅叠层太阳能电池。该研究通过调控2PACz自组装单分子层分布，结合溶液法制备高质量钙钛矿，显著降低了界面复合损失，为产业化应用提供了新思路。

　　

在追求更高效率太阳能电池的道路上，钙钛矿材料与硅基技术的结合被视为突破肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)理论极限的曙光。然而，当研究人员试图将这种"梦幻组合"应用于工业化生产时，却遭遇了令人头疼的难题——工业级纹理硅(ITS)表面那些高度超过2微米的金字塔结构，就像一片微型山脉，使得后续的空穴传输层和钙钛矿材料难以均匀覆盖，最终导致器件性能大幅下降。这个看似微小的表面形貌问题，却成为阻碍叠层太阳能电池产业化的"阿喀琉斯之踵"。

针对这一关键挑战，浙江大学材料科学与工程学院的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们巧妙地将SiO_x纳米球比作"冰山填充剂"，通过调控这些纳米材料在硅金字塔谷底的分布，创造出独特的"冰山状金字塔"结构。这种创新设计不仅解决了自组装单分子层(2PACz)的覆盖难题，还实现了溶液法高质量钙钛矿的完整沉积，最终制备出认证效率高达33.15%的叠层太阳能电池，创造了基于工业级纹理硅的钙钛矿-硅叠层器件效率新纪录。

研究人员采用了多项关键技术：通过原子力显微镜-红外联用技术(AFM-IR)表征2PACz分布；利用电子束诱导电流(EBIC)分析载流子收集效率；采用时间分辨荧光光谱(TRPL)测量载流子扩散长度；结合X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)分析材料稳定性；最后通过国际光伏稳定性标准(ISOS)进行器件老化测试。

Construction of localized submicron contacts on ITS substrates

研究团队首先系统评估了不同尺寸SiO_x纳米球(20-500 nm)的填充效果，发现100 nm颗粒既能有效填充金字塔谷底，又不会过度覆盖影响后续工艺。通过分子动力学模拟揭示，粗糙表面导致2PACz分子聚集是造成覆盖不均的主因。而SiO_x的引入使2PACz覆盖率从不足50%提升至95%以上，接触电势差均匀性显著改善。

Charge carrier dynamics of localized submicron contacts

EBIC测试显示，基于ITS(SiO_x)的钙钛矿顶电池具有与平面硅(STS)相当的载流子收集效率。TRPL线扫描测得载流子扩散长度达860 nm，模拟计算证实该数值可使器件填充因子(FF)提升15%以上。有趣的是，SiO_x不仅没有削弱光捕获能力，反而因其介于空气与硅之间的折射率，使反射率进一步降低。

Improved photoelectric coupling of tandem solar cells

通过调节钙钛矿组分将带隙从1.68 eV优化至1.67 eV，实现了顶底电池电流匹配。最佳器件在反向扫描下获得32.57%效率，稳态效率达33.08%，认证效率33.15%。EQE谱图显示400-700 nm波段响应显著增强，归因于SiO_x的减反射效应。

Improved stability of tandem solar cells

加速老化测试(85°C/85% RH)表明，ITS(SiO_x)器件1100小时后仍保持初始效率的86.7%，远优于STS器件的81.8%。原位透射电镜观察发现，金字塔谷底区域钙钛矿在热处理后仍保持结晶完整性，而对照样品则出现明显的PbI₂分解相。XPS分析显示甲基铵(MA)含量在ITS(SiO_x)样品中仅下降2.66%，而对照样品下降达18.6%。

这项研究的意义不仅在于创造了效率纪录，更开辟了一条兼容现有硅电池产线的技术路径。通过"冰山状金字塔"的巧妙设计，研究人员成功化解了工业化生产中长期存在的形貌兼容性难题。局域亚微米接触的概念既保留了纹理硅的光学优势，又解决了界面工程的关键瓶颈，为下一代光伏技术的产业化提供了重要参考。正如研究者所言，这项成果标志着钙钛矿-硅叠层电池从实验室走向产线的关键一步，或将重塑全球光伏产业格局。