太陽能作為清潔能源的核心載體，其高效轉換技術對解決能源危機和環境問題至關重要。目前，晶硅（c-Si）太陽能電池憑借成熟的制造工藝、高可靠性和環境友好性，占據全球光伏市場95%以上的份額，實驗室效率已突破26%。然而，這一數值仍低于單結器件的肖克利-奎塞爾（Shockley-Queisser, SQ）理論極限（33.15%）。疊層電池通過結合不同帶隙材料實現光譜分段吸收，成為突破效率瓶頸的重要方向。

2-T與4-T晶硅/鈣鈦礦疊層電池效率演變

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的快速發展（效率從2009年的3.81%提升至2021年的25.7%），因其溶液可加工性、帶隙可調性及優異的光電特性，成為與晶硅理想匹配的疊層材料。通過合理設計帶隙匹配并結合美能QE量子效率測試儀對光譜響應的精準測量，疊層電池能夠更高效地利用太陽光譜，提升光電轉換效率。本文將系統解析晶硅/鈣鈦礦疊層電池的類型及其設計原理。

兩端（2-T）單片集成結構

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晶硅/鈣鈦礦疊層電池兩端單片集成結構

結構特點：兩端結構中，鈣鈦礦頂電池與晶硅底電池通過復合結或中間界面層直接串聯。頂電池吸收高能光子（短波長），底電池吸收透過頂電池的低能光子（長波長），兩者共享電極，僅需兩個外接端口。設計原理：

• 光譜分段利用：通過帶隙匹配實現寬光譜覆蓋，理論上可突破單結效率極限。
• 電流匹配要求：兩子電池串聯連接，需嚴格匹配光生電流。理想情況下，鈣鈦礦頂電池帶隙需控制在1.7-1.8 eV，但對光譜變化的敏感性較高。

優勢與挑戰：

• 優勢：成本低、易于集成，適合光伏模組化應用。
• 挑戰：電流匹配難度大，需精確調控鈣鈦礦帶隙；頂電池制備工藝復雜（需在底電池表面沉積，易損傷底層）；透明導電層需兼顧高導電性與透光性。

四端（4-T）結構

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四端結構中，鈣鈦礦頂電池與晶硅底電池光學耦合但電學獨立，各自擁有獨立電極，可分別優化。根據實現方式分為三類：

• 機械堆疊

晶硅/鈣鈦礦疊層電池四終端機械堆疊結構

特點：兩個子電池垂直堆疊，光學耦合且電學獨立，每個子電池擁有獨立的電極。優勢：帶隙選擇更靈活（鈣鈦礦Eg可擴展至1.6-2.0 eV），降低對光譜變化的敏感度。挑戰：需多個透明電極，可能增加寄生吸收；電纜與最大功率點跟蹤器增多導致成本上升。

• 光學分光

晶硅/鈣鈦礦疊層電池四終端光學分光結構

原理：采用二色鏡將高能量光子導向鈣鈦礦子電池，低能量光子導向硅子電池。優勢：無需額外透明電極。限制：光學分光器成本過高，經濟性不足。

• 反射設計

晶硅/鈣鈦礦疊層電池四終端反射設計

特點：通過彎曲排列與二色鏡反射光線，提升制造與集成靈活性。應用：適用于太陽能熱收集技術。不足：對散射光的收集效率較低。

• 4-T結構核心優勢：

獨立優化：子電池帶隙選擇靈活，無需電流匹配。工藝解耦：頂/底電池可分開制備，避免高溫工藝對鈣鈦礦的損傷。光管理優化：采用二向色鏡或反射設計提升光譜利用率。

三端（3-T）混合結構

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三端晶硅/鈣鈦礦疊層太陽能電池結合了兩端和四端結構的優勢。通過叉指背接觸（Interdigitated Back Contact, IBC）硅電池實現部分電路獨立。

• 潛力：兼顧低成本與設計靈活性。
• 現狀：工藝復雜度較高，尚未廣泛采用。

晶硅/鈣鈦礦疊層太陽能電池作為一種極具潛力的新型光伏技術，具有顯著的優勢和廣闊的應用前景。其通過結合晶硅和鈣鈦礦材料的特性，能夠有效突破單結太陽能電池的效率極限。

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

隨著技術的進步和應用范圍的擴大，晶硅/鈣鈦礦疊層太陽能電池有望在全球能源領域發揮越來越重要的作用，為實現清潔能源的廣泛應用和環境保護目標提供有力支持。美能QE量子效率測試儀將為疊層電池的研發和生產提供有力支持，推動該技術的快速發展。

原文參考：Review on two-terminal and four-terminalcrystalline-silicon/perovskite tandem solar cells;progress, challenges, and future perspectives

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