單結太陽能電池的理論效率受限于Shockley-Queisser極限（29.6%），而鈣鈦礦/硅疊層結構通過分光譜吸收可突破這一限制。然而，傳統鈣鈦礦電池依賴貴金屬電極與有機空穴傳輸材料（HTM），導致成本高、穩定性差。無HTM的碳電極鈣鈦礦電池（c-PSCs）因工藝簡單、穩定性突出成為研究熱點。本研究通過SCAPS-1D模擬，結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耦合疊層中的性能，優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。

四端疊層的實現路徑

Millennial Solar

四端（a）機械堆疊與（b）光學耦合硅/鈣鈦礦疊層太陽能電池裝置示意圖

電池結構：

• 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設計。
• 底電池：晶硅異質結電池（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。

• 光學耦合（4-T光學）

• 光學分束器將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。

鈣鈦礦層厚度優化

Millennial Solar

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）下四端機械與光學耦合結構的電流-電壓（J-V）特性，發現隨著厚度增加，短路電流（Jsc）顯著提升，這源于更寬光譜范圍內的光吸收增強。

鈣鈦礦頂電池光伏參數隨厚度變化

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

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，機械堆疊結構的最佳厚度為 1000nm（ PCE = 18.06% ），光學耦合結構為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勢。因此，優化厚度可平衡光吸收與復合損失，提升整體效率。

摻雜濃度的影響

Millennial Solar

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隨摻雜濃度變化

鈣鈦礦層摻雜濃度對載流子輸運和復合至關重要。模擬顯示，低摻雜濃度（<101? cm?3）下，Jsc相對穩定；高濃度時，過量缺陷態導致Jsc下降。Voc和FF隨摻雜濃度增加先升后穩，因高摻雜抑制了界面復合并增強電場。當摻雜濃度達101? cm?3時，機械與光學耦合結構的PCE分別達21.3%和20.02%，為最優值。此結果表明，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。

四端結構效率對比

Millennial Solar

四端機械與光學疊層電池效率對比

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。

成本與穩定性權衡

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

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響應顯著改善，特別是在長波長區域。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超28%的效率，光學耦合設計性能更優。未來需進一步優化鈣鈦礦穩定性與光學分束器成本，推動該技術向產業化邁進。

美能鈣鈦礦膜厚測試儀

Millennial Solar

聯美能鈣鈦礦膜厚測試儀利用光學干涉原理，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、連續監測工業產線上各式薄膜的厚度以及光學常數，快速準確測量薄膜厚度、光學常數等信息。

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

本研究深入探討了4-T機械堆疊和光學耦合硅/鈣鈦礦串聯太陽能電池的設計與優化，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

*特別聲明：「美能光伏」公眾號所發布的原創及轉載文章，僅用于學術分享和傳遞光伏行業相關信息。未經授權，不得抄襲、篡改、引用、轉載等侵犯本公眾號相關權益的行為。內容僅供參考，若有侵權，請及時聯系我司進行刪除。