單結(jié)太陽能電池的理論效率受限于Shockley-Queisser極限（29.6%），而鈣鈦礦/硅疊層結(jié)構(gòu)通過分光譜吸收可突破這一限制。然而，傳統(tǒng)鈣鈦礦電池依賴貴金屬電極與有機空穴傳輸材料（HTM），導(dǎo)致成本高、穩(wěn)定性差。無HTM的碳電極鈣鈦礦電池（c-PSCs）因工藝簡單、穩(wěn)定性突出成為研究熱點。本研究通過SCAPS-1D模擬，結(jié)合美能鈣鈦礦膜厚測試儀對鈣鈦礦層厚度的精確測量，探索c-PSCs在四端機械堆疊與光學(xué)耦合疊層中的性能，優(yōu)化鈣鈦礦厚度與摻雜濃度，為低成本高效疊層電池提供理論支撐。

四端疊層的實現(xiàn)路徑

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四端（a）機械堆疊與（b）光學(xué)耦合硅/鈣鈦礦疊層太陽能電池裝置示意圖

電池結(jié)構(gòu)：

• 頂電池：寬禁帶鈣鈦礦Cs?(FA?.?MA?.?)??? PbI?.? Br?.?（1.6 eV），采用FTO/TiO?/鈣鈦礦/碳電極無HTM設(shè)計。
• 底電池：晶硅異質(zhì)結(jié)電池（1.12 eV），厚度230 μm。

四端疊層工作機制：

• 機械堆疊（4-T機械）

• 頂電池吸收300-800 nm高能光子，透射800-1200 nm光子至底電池；
• 電流獨立輸出，電壓疊加，總效率為兩電池效率之和。

• 光學(xué)耦合（4-T光學(xué)）

• 光學(xué)分束器將AM1.5G光譜分為兩段（如短波<900 nm至頂電池，長波>900 nm至底電池）；
• 兩電池完全獨立工作，避免光譜競爭。

鈣鈦礦層厚度優(yōu)化

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鈣鈦礦頂電池J-V特性隨厚度變化

鈣鈦礦吸光層厚度顯著影響電池性能。通過模擬不同厚度（100-1200 nm）下四端機械與光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)的電流-電壓（J-V）特性，發(fā)現(xiàn)隨著厚度增加，短路電流（Jsc）顯著提升，這源于更寬光譜范圍內(nèi)的光吸收增強。

鈣鈦礦頂電池光伏參數(shù)隨厚度變化

然而，厚度超過800 nm后，Jsc增速趨緩，且開路電壓（Voc）因復(fù)合損失增加而飽和。填充因子（FF）則因厚度增加導(dǎo)致的串聯(lián)電阻上升而下降。

鈣鈦礦頂電池外量子效率（EQE）隨厚度變化

綜合效率（PCE）分析表明，機械堆疊結(jié)構(gòu)的最佳厚度為 1000nm（ PCE = 18.06% ），光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)為1100 nm（PCE=17.10%）。外部量子效率（EQE）分析進一步驗證厚鈣鈦礦層對長波長光子的吸收優(yōu)勢。因此，優(yōu)化厚度可平衡光吸收與復(fù)合損失，提升整體效率。

摻雜濃度的影響

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模擬能帶圖與電場分布（a-b鈣鈦礦電池，c-d硅電池）

鈣鈦礦頂電池光伏參數(shù)隨摻雜濃度變化

鈣鈦礦層摻雜濃度對載流子輸運和復(fù)合至關(guān)重要。模擬顯示，低摻雜濃度（<101? cm?3）下，Jsc相對穩(wěn)定；高濃度時，過量缺陷態(tài)導(dǎo)致Jsc下降。Voc和FF隨摻雜濃度增加先升后穩(wěn)，因高摻雜抑制了界面復(fù)合并增強電場。當(dāng)摻雜濃度達101? cm?3時，機械與光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)的PCE分別達21.3%和20.02%，為最優(yōu)值。此結(jié)果表明，適度摻雜可提升載流子提取效率，同時避免缺陷引起的性能衰減。

四端結(jié)構(gòu)效率對比

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四端機械與光學(xué)疊層電池效率對比

效率分布

• 機械堆疊：頂電池（21.31%）+底電池（7.07%）=28.38%；
• 底電池受限：透射光強僅為全光譜的30%，Jsc僅12.29 mA/cm2；
• 光學(xué)耦合：頂電池（20.02%）+底電池（9.32%）=29.34%；
• 光譜獨立：底電池吸收900-1200 nm光子，Jsc達16.13 mA/cm2，Voc提升至0.70 V。

成本與穩(wěn)定性權(quán)衡

• 機械堆疊優(yōu)勢：無需光學(xué)組件，工藝簡單，成本降低15%-20%；
• 光學(xué)耦合潛力：效率更高，但分束器（如二向色鏡）增加10%-15%材料成本，需優(yōu)化光學(xué)設(shè)計以提升性價比。

EQE分析進一步證實了厚度對頂電池性能的影響。隨著鈣鈦礦層厚度的增加，EQE響應(yīng)顯著改善，特別是在長波長區(qū)域。較厚的鈣鈦礦層能夠吸收更多的長波長光子，從而提高了EQE。本研究證明無HTM碳電極鈣鈦礦電池在四端疊層中可實現(xiàn)超28%的效率，光學(xué)耦合設(shè)計性能更優(yōu)。未來需進一步優(yōu)化鈣鈦礦穩(wěn)定性與光學(xué)分束器成本，推動該技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化邁進。

美能鈣鈦礦膜厚測試儀

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聯(lián)美能鈣鈦礦膜厚測試儀利用光學(xué)干涉原理，通過分析薄膜表面反射光和薄膜與基底界面反射光相干涉形成的光譜，快速、連續(xù)監(jiān)測工業(yè)產(chǎn)線上各式薄膜的厚度以及光學(xué)常數(shù)，快速準(zhǔn)確測量薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)等信息。

• 膜厚測試范圍：20nm~2000nm
• 膜厚測試精度：±1nm
• 膜厚重復(fù)性測量精度：＜1%（100次連續(xù)測試）

本研究深入探討了4-T機械堆疊和光學(xué)耦合硅/鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的設(shè)計與優(yōu)化，通過SCAPS模擬與美能鈣鈦礦膜厚測試儀的實測支持，分析了鈣鈦礦吸收層厚度和摻雜濃度對電池性能的影響。

原文參考：Design and optimization of four-terminal mechanically stacked and optically coupled silicon/perovskite tandem solar cells with over 28% efficiency

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