四端（4T）鈣鈦礦疊層太陽能電池（TSCs）通過獨立優化子電池并規避電流匹配限制，展現出顯著效率優勢。其模塊化設計支持靈活的材料選擇與制備工藝，成為突破單結器件效率極限的重要途徑。本文聚焦四端疊層電池的核心結構與多元配置（如PVK/Si、PVK/CIGS等），通過美能QE量子效率測試儀提供的關鍵數據解析其性能提升策略與挑戰。

四端疊層電池的核心結構優勢

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鈣鈦礦結構與四端疊層電池示意圖(a) n-i-p結構;(b) p-i-n結構;(c) 四端疊層電池器件架構;(d) 效率演變;(e) 理論效率極限

四端結構中，寬帶隙（WBG）鈣鈦礦頂電池與窄帶隙（NBG）底電池通過機械堆疊實現電學隔離。頂電池采用n-i-p或p-i-n結構，底電池可為硅、CIGS、有機或鈣鈦礦材料。核心優勢包括：

• 獨立優化：子電池可分別選擇最佳材料與工藝（如高溫處理的n-i-p頂電池與低溫底電池兼容）。
• 電流非匹配：無需電流匹配，拓寬帶隙組合選擇范圍（如PVK/Si理論效率上限達46%）。
• 高穩定性：子電池獨立運行，局部損壞不影響整體功能，降低系統失效風險。
• 光學管理：頂電池需高透光性（如DMSA處理降低表面粗糙度至10.5 nm，近紅外透光率達83.94%），確保底電池有效吸光。

PVK/Si疊層電池

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四端鈣鈦礦/硅疊層電池性能與穩定性(a) 結構圖；(b) 截面SEM圖像；(c) 子電池J-V曲線；(d) 頂電池與底電池EQE光譜；(e) 1 cm2頂電池實物圖；(f) 封裝器件俯視與仰視圖；(g) 效率穩定性

PVK/Si 疊層

結合了硅的高穩定性（市場占有率超 90%）與鈣鈦礦的高效光譜利用。

效率突破：結合硅異質結（SHJ）、TOPCon等技術，四端PVK/Si效率超30%。例如：

• 界面工程：研究表明，通過氫氟酸/紫外臭氧處理ITO表面，優化自組裝單分子層（SAM）吸附，頂電池效率達22.9%，疊層效率30.3%。
• 穩定性提升：引入銣摻雜CsFAMA鈣鈦礦，未封裝器件在42天晝夜循環后保持98%初始效率。

光學優化：采用AZO、IZRO等高透紅外電極（如IZRO透光率比ITO高10%），并引入倒金字塔織構化玻璃降低反射損耗。

PVK/CIGS疊層電池

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四端鈣鈦礦/CIGS疊層電池性能(a) 層狀結構；(b) 半透明鈣鈦礦頂電池J-V曲線；(c) 頂電池與濾波后CIGS底電池EQE光譜；(d) 鈣鈦礦帶隙對疊層效率的模擬預測。

CIGS（帶隙～1.0 eV）作為底部電池，與寬帶隙鈣鈦礦形成理想光譜互補。效率記錄：通過四陽離子鈣鈦礦（CsRbFAMA）與CIGS底電池結合，效率達23.9%。關鍵進展包括：

• 電極創新：開發多層電極（介質/金屬/介質），提升透光性與導電性。
• 材料兼容性：移除MoO?緩沖層，避免濺射損傷，頂電池效率19.5%，疊層效率26.2%。

挑戰：CIGS底電池紅外響應受TCO寄生吸收限制（如AZO吸收率>3%），需優化電極設計。

PVK/有機疊層電池

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滴涂法制備CsPbI?.??Br?.??薄膜的性能(a) 均勻表面SEM圖像；(b) 滴涂與旋涂器件的J-V曲線；(c) 半透明電池透光率；(d) 濾波后有機底電池J-V曲線；(f) 濾光對有機電池壽命的影響

有機太陽能電池（OSCs）的輕量、柔性特性與鈣鈦礦結合，適用于車載、可穿戴設備。效率潛力：通過CsPbI?.?Br?.??頂電池與PM6:Y6有機底電池結合，效率達22.34%。亮點包括：

• 紫外防護：鈣鈦礦頂電池作為紫外濾光層，延長有機電池壽命（120小時光照后效率保持86%）。
• 工藝創新：滴涂法提升鈣鈦礦薄膜均勻性，降低缺陷密度。

局限性：有機材料穩定性差，需開發耐氧化、高透光電極（如銀納米線 / PEDOT : PSS）。

全鈣鈦礦（PVK/PVK）疊層電池

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全鈣鈦礦四端疊層電池性能(a) 電池結構;(b) 半透明頂電池與濾波后底電池J-V曲線;(c) 各子電池EQE光譜;(d) 穩態功率輸出

全鈣鈦礦疊層通過調整組分實現帶隙匹配（頂部 1.67–1.75 eV，底部 0.80–1.20 eV），支持低溫溶液處理和卷對卷制造。效率突破：通過DBSA添加劑調控WBG鈣鈦礦結晶取向，頂電池效率22.4%，疊層效率28.06%。關鍵策略包括：

• 帶隙調控：Sn-Pb合金鈣鈦礦底電池帶隙1.25 eV，與1.66 eV頂電池互補。
• 缺陷鈍化：乙酰膽堿氯化物（ACh）修飾PEDOT:PSS界面，降低非輻射復合。

全鈣鈦礦四端疊層電池性能總結

挑戰：Sn2?易氧化，需惰性氣氛封裝；窄帶隙鈣鈦礦載流子壽命短（<20 ns）。四端鈣鈦礦疊層太陽能電池通過結構創新與材料協同，在效率和靈活性上展現出顯著優勢。在PVK/Si、PVK/CIGS等配置中實現超30%的效率突破，全鈣鈦礦疊層在低成本制造上潛力巨大，而新興結構為紅外光譜利用提供了新維度。

美能QE量子效率測試儀

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美能QE量子效率測試儀可以用來測量太陽能電池的光譜響應，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應偏低區域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測量范圍、測試的準確性和可追溯性等優勢。

兼容所有太陽能電池類型，滿足多種測試需求

光譜范圍可達300-2500nm，并提供特殊化定制

氙燈+鹵素燈雙光源結構，保證光源穩定性

隨著界面工程、材料改性和制造技術的進步，四端疊層有望成為下一代高效光伏技術的核心方向，推動可再生能源的大規模應用。美能QE量子效率測試儀將持續為疊層電池的光學優化與效率驗證提供技術保障，加速實驗室成果向產業化轉化。

原文參考：Four-terminal perovskite tandem solar cells

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