在鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池中，底電池的亞微米金字塔紋理雖然有助于光捕獲，但相鄰金字塔間形成的V形溝槽會降低襯底潤濕性、增加表面粗糙度，嚴(yán)重制約高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的沉積。美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過無接觸式測試，監(jiān)測各個工藝段中的異常，了解單節(jié)疊層鈣鈦礦電池的缺陷分布信息。

本文基于各向同性刻蝕原理，提出了一種化學(xué)拋光策略，對V形區(qū)域進(jìn)行適度平滑處理。其中，去除60 nm材料的CP-60 nm工藝不僅改善了晶體硅與非晶硅之間的界面鈍化，提升了底電池的開路電壓和填充因子，還增強(qiáng)了襯底潤濕性，促進(jìn)鈣鈦礦薄膜均勻生長、減少孔隙和晶格應(yīng)變。最終，疊層電池的功率轉(zhuǎn)換效率從30.04%顯著提升至31.83%，并表現(xiàn)出更小的遲滯效應(yīng)和更好的穩(wěn)定性。

襯底特性

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(a–f)未拋光和不同nm基底的截面、放大及平面SEM圖像(g)亞微米金字塔高度分布曲線(h)裸硅片400–1100 nm平均反射率(i)少數(shù)載流子壽命

隨著化學(xué)拋光刻蝕程度增加，亞微米金字塔平均高度單調(diào)下降，表面粗糙度先減后增，在CP-60 nm時達(dá)到最小值93.0 nm。這分為兩個階段：輕度拋光（≤60 nm）主要使V形谷底圓滑化，粗糙度下降；過度拋光（≥80 nm）導(dǎo)致谷底變寬、金字塔合并并產(chǎn)生小紋理，粗糙度反而增加。低粗糙度表面有利于鈣鈦礦薄膜更好地覆蓋底電池，減少分流。

反射率隨拋光刻蝕體積增加而單調(diào)上升。未拋光金字塔能有效實(shí)現(xiàn)光的多重反射，降低反射率；但谷底過度圓滑后，局部形成類似鏡面反射面，增加光損失。CP-80 nm和CP-100 nm樣品的反射率顯著上升，光捕獲能力嚴(yán)重下降。

少子壽命測試表明，CP-60 nm樣品的平均少子壽命最高（4163 μs），鈍化效果最佳。這是因?yàn)槌跏技怃J金字塔谷底不利于前驅(qū)體擴(kuò)散，懸掛鍵飽和不充分；適度圓滑化降低了界面缺陷態(tài)密度。

鈣鈦礦薄膜特性

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(a–f)鈣鈦礦薄膜接觸角、截面SEM及AFM圖像(g) AFM圖像提取的高度分布曲線

CP-60 nm襯底上沉積的鈣鈦礦薄膜表現(xiàn)出最少的晶界、無孔隙缺陷、全覆蓋且附著力良好。接觸角測量顯示CP-60 nm襯底的接觸角最?。?8.09°），潤濕性最佳，有利于溶液均勻鋪展。原子力顯微鏡顯示CP-60 nm對應(yīng)鈣鈦礦薄膜粗糙度最?。?3.7 nm），高度變化最小（ΔH=65.56 nm）。

(a,b)鈣鈦礦薄膜XRD圖譜與半高寬(c)威廉姆森-霍爾圖(d–f)掠入射XRD圖譜與sin2ψ-2θ圖(g–i)穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光、光照后光致發(fā)光、時間分辨光致發(fā)光光譜

X射線衍射結(jié)果顯示，CP-60 nm薄膜的半峰全寬最?。?.08487），結(jié)晶度最優(yōu)，且PbI?衍射峰被顯著抑制，表明PbI?轉(zhuǎn)化更完全。

Williamson-Hall分析表明CP-60 nm有效降低了晶格應(yīng)變。

掠入射X射線衍射顯示，未拋光薄膜存在整體拉應(yīng)力，而CP-60 nm襯底顯著緩解了薄膜應(yīng)力。

光致發(fā)光（PL）測試表明，CP-60 nm樣品具有更強(qiáng)的發(fā)光強(qiáng)度和更均勻的發(fā)光圖像，非輻射復(fù)合減少。

光照穩(wěn)定性測試中，CP-60 nm薄膜在20分鐘光照后仍保持特征峰形，而未拋光薄膜出現(xiàn)峰展寬和位移，表明存在相分離。

時間分辨光致發(fā)光顯示CP-60 nm薄膜載流子壽命大幅延長。

光致發(fā)光（PL）量子產(chǎn)率從0.829%提高到1.079%，準(zhǔn)費(fèi)米能級分裂從1.250 eV增至1.261 eV。

綜上，CP-60 nm襯底更有利于制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜，抑制界面非輻射復(fù)合。

器件性能

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(a)硅異質(zhì)結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖(b–e)開路電壓、短路電流密度、填充因子、轉(zhuǎn)換效率統(tǒng)計(jì)圖(f)串聯(lián)電阻與并聯(lián)電阻分析(g)最優(yōu)硅異質(zhì)結(jié)電池電流-電壓曲線(h)外量子效率光譜(i–k)隱含開路電壓-開路電壓、隱含填充因子-填充因子及其差值對比

單結(jié)硅異質(zhì)結(jié)電池：隨著拋光程度增加，短路電流因光捕獲減弱而下降（CP-100 nm相比初始下降0.3 mA/cm2）；開路電壓因鈍化改善而單調(diào)上升。CP-60 nm電池實(shí)現(xiàn)了最高的開路電壓、填充因子和功率轉(zhuǎn)換效率（24.36%）。相比未拋光，短路電流僅下降0.27 mA/cm2，但開路電壓提高2.7 mV、填充因子提高1.35%，效率絕對提升0.31%。外量子效率顯示，CP-60 nm在短波區(qū)（<700 nm）響應(yīng)略低，但在近紅外區(qū)（700-1200 nm）與未拋光相當(dāng)，且900 nm以上更高，與疊層中底電池主要吸收長波光的預(yù)期一致。隱含開路電壓和隱含填充因子測試表明，CP-60 nm樣品具有更少的非輻射復(fù)合缺陷和更低的表面復(fù)合電流密度，鈍化質(zhì)量優(yōu)異。

(a)疊層器件結(jié)構(gòu)示意圖(b–e)開路電壓、短路電流密度、填充因子、轉(zhuǎn)換效率統(tǒng)計(jì)圖(f)最優(yōu)疊層電池電流-電壓曲線(g)最優(yōu)疊層電池外量子效率光譜(h)穩(wěn)態(tài)輸出效率(i)存儲穩(wěn)定性

鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層電池：在CP-60 nm襯底上制備的疊層器件開路電壓高達(dá)1.97 V，填充因子和短路電流密度均有提升。冠軍器件正向掃描效率31.49%，反向掃描31.83%，明顯高于未拋光樣品的29.22%/30.04%，且遲滯效應(yīng)更小。外量子效率積分得到的電流密度與J-V曲線匹配良好。CP-60 nm基疊層電池在650秒穩(wěn)態(tài)輸出中保持31.32%效率，存儲1000小時后仍保留初始效率的93.2%，優(yōu)于未拋光樣品的86.9%。

本研究采用60 nm化學(xué)拋光深度平滑谷底區(qū)域的亞微米金字塔紋理硅襯底，是一種簡單有效的提升鈣鈦礦/硅疊層電池性能的策略。該方法改善了硅異質(zhì)結(jié)底電池的鈍化性能和非晶硅薄膜質(zhì)量，使底電池效率提高0.31%，同時在900-1200 nm波長范圍保持高外量子效率。更重要的是，增強(qiáng)的界面潤濕性促進(jìn)了鈣鈦礦薄膜與金字塔表面的緊密貼合，減少了孔隙和缺陷，降低了晶格應(yīng)變，抑制了非輻射復(fù)合，最終將疊層器件效率從30.04%提升至31.83%，并減輕了遲滯效應(yīng)，為解決金字塔V形區(qū)域?qū)е碌拟}鈦礦薄膜質(zhì)量問題提供了有價值的思路。

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀

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大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過非接觸、高精度、實(shí)時反饋等特性，系統(tǒng)性解決了太陽能電池生產(chǎn)中的速度、良率、成本、工藝優(yōu)化與穩(wěn)定性等核心痛點(diǎn)，并且結(jié)合AI深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)全自動缺陷識別與工藝反饋。

PL高精度成像：采用線掃激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 顏色灰度：同時清晰呈現(xiàn)高亮區(qū)域（如無缺陷區(qū)）與低亮區(qū)域（如缺陷暗斑）

高速在線PL檢測缺陷：檢測速度≤2s，漏檢率；誤判率

AI缺陷識別分類訓(xùn)練：實(shí)現(xiàn)全自動缺陷識別與工藝反饋

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀采用無接觸式測試方式，可實(shí)時監(jiān)測鈣鈦礦電池各工藝段中的薄膜質(zhì)量異常，精準(zhǔn)定位單結(jié)及疊層電池中的缺陷分布。

原文參考：Advanced Sub-Micron Pyramid Texture Enables Approximately 32% Efficiency in Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells

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