单结太阳能电池的理论效率受限于Shockley-Queisser极限（29.6%），而钙钛矿/硅叠层结构通过分光谱吸收可突破这一限制。然而，传统钙钛矿电池依赖贵金属电极与有机空穴传输材料（HTM），导致成本高、稳定性差。

无HTM的碳电极钙钛矿电池（c-PSCs）因工艺简单、稳定性突出成为研究热点。本研究通过SCAPS-1D模拟，结合美能钙钛矿膜厚测试仪对钙钛矿层厚度的精确测量，探索c-PSCs在四端机械堆叠与光学耦合叠层中的性能，优化钙钛矿厚度与掺杂浓度，为低成本高效叠层电池提供理论支撑。  

四端叠层的实现路径

四端（a）机械堆叠与（b）光学耦合硅/钙钛矿叠层太阳能电池装置示意图

电池结构：  

顶电池：宽禁带钙钛矿Csₓ(FA₀.₄MA₀.₆)₁₋ₓPbI₂.₈Br₀.₂（1.6 eV），采用FTO/TiO₂/钙钛矿/碳电极无HTM设计。  

底电池：晶硅异质结电池（1.12 eV），厚度230 μm。  

四端叠层工作机制：  

机械堆叠（4-T机械）

顶电池吸收300-800 nm高能光子，透射800-1200 nm光子至底电池；

电流独立输出，电压叠加，总效率为两电池效率之和。

光学耦合（4-T光学）

光学分束器将AM1.5G光谱分为两段（如短波<900 nm至顶电池，长波>900 nm至底电池）；

两电池完全独立工作，避免光谱竞争。 

钙钛矿层厚度优化  

钙钛矿顶电池J-V特性随厚度变化（四端：a机械堆叠，b光学耦合）

钙钛矿吸光层厚度显著影响电池性能。通过模拟不同厚度（100-1200 nm）下四端机械与光学耦合结构的电流-电压（J-V）特性，发现随着厚度增加，短路电流（Jsc）显著提升，这源于更宽光谱范围内的光吸收增强。

钙钛矿顶电池光伏参数随厚度变化（四端：a机械堆叠，b光学耦合）

然而，厚度超过800 nm后，Jsc增速趋缓，且开路电压（Voc）因复合损失增加而饱和。填充因子（FF）则因厚度增加导致的串联电阻上升而下降。

钙钛矿顶电池外量子效率（EQE）随厚度变化（四端：a机械堆叠，b光学耦合）

综合效率（PCE）分析表明，机械堆叠结构的最佳厚度为1000 nm（PCE=18.06%），光学耦合结构为1100 nm（PCE=17.10%）。外部量子效率（EQE）分析进一步验证厚钙钛矿层对长波长光子的吸收优势。因此，优化厚度可平衡光吸收与复合损失，提升整体效率。 

掺杂浓度的影响  

模拟能带图与电场分布（a-b钙钛矿电池，c-d硅电池）

钙钛矿顶电池光伏参数随掺杂浓度变化（四端：a机械堆叠，b光学耦合）

钙钛矿层掺杂浓度对载流子输运和复合至关重要。模拟显示，低掺杂浓度（<10¹⁷ cm⁻³）下，Jsc相对稳定；高浓度时，过量缺陷态导致Jsc下降。

Voc和FF随掺杂浓度增加先升后稳，因高掺杂抑制了界面复合并增强电场。当掺杂浓度达10¹⁷ cm⁻³时，机械与光学耦合结构的PCE分别达21.3%和20.02%，为最优值。此结果表明，适度掺杂可提升载流子提取效率，同时避免缺陷引起的性能衰减。 

四端结构效率对比  

四端机械与光学叠层电池效率对比

效率分布

机械堆叠：顶电池（21.31%）+底电池（7.07%）= 28.38%；

底电池受限：透射光强仅为全光谱的30%，Jsc仅12.29 mA/cm²；

光学耦合：顶电池（20.02%）+底电池（9.32%）= 29.34%；

光谱独立：底电池吸收900-1200 nm光子，Jsc达16.13 mA/cm²，Voc提升至0.70 V。

成本与稳定性权衡

机械堆叠优势：无需光学组件，工艺简单，成本降低15%-20%；

光学耦合潜力：效率更高，但分束器（如二向色镜）增加10%-15%材料成本，需优化光学设计以提升性价比。 

EQE分析进一步证实了厚度对顶电池性能的影响。随着钙钛矿层厚度的增加，EQE响应显著改善，特别是在长波长区域。较厚的钙钛矿层能够吸收更多的长波长光子，从而提高了EQE。本研究证明无HTM碳电极钙钛矿电池在四端叠层中可实现超28%的效率，光学耦合设计性能更优。未来需进一步优化钙钛矿稳定性与光学分束器成本，推动该技术向产业化迈进。   

美能钙钛矿膜厚测试仪

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✔  膜厚测试范围：20nm~2000nm

✔  膜厚测试精度：±1nm

✔  膜厚重复性测量精度：＜1%（100次连续测试） 

本研究深入探讨了4-T机械堆叠和光学耦合硅/钙钛矿串联太阳能电池的设计与优化，通过SCAPS模拟与美能钙钛矿膜厚测试仪的实测支持，分析了钙钛矿吸收层厚度和掺杂浓度对电池性能的影响。

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