Stable Self-Assembled Monolayers Anchoring and Enhanced Antireflection in Four-Terminal Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells via a VOx-NiOx Composite Contact于2026年5月6日发表于《Advanced Energy Materials》

通讯作者：武汉理工大学李蔚&浙江晶科能源有限公司徐孟雷&青岛理工大学崔洪涛

摘要：自组装单分子层（SAMs）已显著提升钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光电转换效率（PCE），但其界面锚固作用薄弱严重限制了器件的工作稳定性。为强化 SAM 锚固效果，氧化镍（NiOₓ）被广泛用作基底材料。

然而，利于强结合的 NiOₓ表面通常氧化程度更高、羟基更富集，这会同时加剧寄生吸收与界面损耗，该问题在半透明及四端叠层器件中尤为突出。本文设计了一种VOₓ-NiOₓ复合空穴传输结构，将富羟基的 VOₓ纳米团簇与致密的 NiOₓ表层相结合。

该复合界面可为 SAM 提供致密且化学均匀的反应位点，实现牢固锚固，同时维持利于空穴提取的能级匹配关系，并抑制反射与寄生吸收。基于该结构，带隙 1.67 eV、有效面积 0.148 cm² 的半透明钙钛矿太阳能电池实现了21.68% 的光电转换效率；在 25℃、1 倍太阳光照下进行最大功率点追踪 1472 小时后，效率保持率达 98%；在 85℃暗态老化 1000 小时后，效率保持率仍为 90%。

将其集成至四端钙钛矿 / 硅叠层电池中，1 cm² 器件的光电转换效率可达31.25%。本工作通过将锚固作用与光学损耗解耦，为钙钛矿叠层光伏提供了可规模化应用的界面设计思路。

核心策略：构建ITO/VOₓ-NiOₓ复合空穴选择接触结构：

1. 1、激光沉积VOₓ纳米团簇：提供高密度、高均匀性羟基锚固位点；
2. 2、磁控溅射致密 NiOₓ顶层：保证连续空穴传输通道，优化能级排列；
3. 3、协同作用：实现SAM 强锚固、高效空穴提取、低光学损耗三者平衡。

器件性能数据

1、单结半透明钙钛矿电池

• 0.148 cm²：PCE=21.68%；
• 1 cm²：PCE=20.64%，稳态效率20.20%。

2、四端钙钛矿 / 硅 (TOPCon) 叠层电池

• 1 cm² 器件总效率达 31.25%；
• 硅底电池短路电流密度：19.0 mA·cm⁻²（纯 NiOₓ为 17.6 mA・cm⁻²）；
• 硅底电池效率：10.61%（纯 NiOₓ为 9.68%）。

3、长期稳定性

• 25℃、1 倍光强最大功率点追踪1472 h：效率保留98%；
• 85℃暗态老化1000 h：效率保留90%。

工艺与应用价值

• 制备工艺：激光沉积 + 磁控溅射，无溶剂、可规模化；
• 设计原则：解耦 SAM 锚固与光学损耗，适配半透明与叠层器件；
• 应用场景：高效稳定钙钛矿 / 硅四端叠层光伏。

一、钙钛矿前驱液配制：将 61.83 mg 碘化铯（CsI）、199.83 mg 甲脒碘盐（FAI）、154.14 mg 溴化铅（PbBr₂）与 451.79 mg 碘化铅（PbI₂）共同溶解于二甲基亚砜 (DMSO) 与 N,N‑二甲基甲酰胺 (DMF) 体积比 3:1 的混合溶剂中，配制成 1 mL 钙钛矿前驱液。

二、器件制备

1. 半透明钙钛矿太阳能电池

1. 基底清洗
   ITO 基底依次用洗涤剂、去离子水、乙醇分别超声清洗 15 分钟，氮气吹干后进行紫外臭氧处理 15 分钟。
2. VOₓ沉积
   采用激光烧蚀法制备氧化钒（VOₓ）层；使用脉冲激光打标机（YLP‑M30），波长 1064 nm，脉宽 100 ns，重复频率 30 kHz，输出功率 30 W；激光聚焦于钒靶，计算机控制逐线扫描，扫描间距 0.03 mm，扫描速率 1.0 m/s，预设厚度约 100 nm。
3. NiOₓ沉积
   在 VOₓ修饰的基底上采用磁控溅射沉积 10 nm 厚氧化镍（NiOₓ）层。
4. SAM 空穴传输层
   将 4PADCB 溶于乙醇（浓度 0.5 mg/mL），过滤后取 80 μL 滴涂于 NiOₓ表面，3000 rpm 旋涂 30 秒，100 ℃退火 10 分钟。
5. 钙钛矿层制备
   冷却后取 100 μL 钙钛矿前驱液滴涂于空穴传输层，立即5000 rpm 旋涂 30 秒；旋涂最后 8 秒时，向基底快速滴加 180 μL 含 p‑CF₃O‑PEAI 的乙酸乙酯溶液（浓度 0.1 mg/mL）；随后100 ℃退火 30 分钟。
6. 后钝化层
   冷却后将 PI 溶于异丙醇（浓度 0.3 mg/mL），5000 rpm 旋涂 30 秒，100 ℃退火 10 分钟。
7. 电子传输与电极
   依次热蒸发沉积 25 nm C₆₀层，原子层沉积（ALD）10 nm 氧化锡（SnOₓ）层；室温下射频溅射沉积 100 nm 铟锌氧化物（IZO，In:Zn=80:20）层；最后通过定制掩膜版热蒸发沉积 300 nm 厚银栅电极。

2. 隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）硅电池

1. 基底采用磷掺杂 n 型单晶硅片，厚度约 180 μm。
2. 正面制绒
   在含有机添加剂的 KOH 碱性溶液中进行工业标准碱蚀刻制绒。
3. 硼发射极
   在管式炉中以 BBr₃为硼源扩散制备硼发射极。
4. 背面处理
   采用 HF/HNO₃混合液湿法蚀刻去除背面扩散层；在含添加剂的 KOH 溶液中抛光背面；生长薄热氧化层，550 ℃低压化学气相沉积（LPCVD）本征多晶硅。
5. 磷掺杂
   通过 POCl₃扩散对本征多晶硅进行磷掺杂，形成 n⁺多晶硅。
6. 掩膜与刻蚀
   等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备 SiO₂掩膜层；激光刻蚀定义 1 cm×1 cm 有效面积，含添加剂 NaOH 溶液清洗刻蚀区域；HF 蚀刻去除磷硅玻璃（PSG）与正面绕镀多晶硅；湿法蚀刻去除硼硅玻璃（BSG）、残留 n⁺多晶硅、背面 SiO₂掩膜及 PSG。
7. 钝化与电极
   原子层沉积 Al₂O₃钝化制绒面，PECVD 沉积 SiNₓ封装；丝网印刷 Ag/Al 浆料，链式炉烧结形成欧姆接触；激光切割为 2.5 cm×2.5 cm 电池；背面热蒸发 300 nm 银电极，正面涂覆导电银浆并固化以提升导电性。

作者：Wei Jiang, Hong-Qiang Du, Jing-Sheng Jin, Jun-Gan Wang, Meng-Lei Xu, Zhen-Ze Zhai, Fei-Yue Zhang, Qi-Bo Yuan, Long-Hui Yang, Yu-Song Xiao, Jun-Hui Lu, Jie Xu, Xin-Jun Yang, Yu-Qi Lan, Yong Yu, Chang-Ming Liu, Jie Yang, Xin-Yu Zhang, Hong-Tao Cui, Yi-Bing Cheng, Wei Li