钙钛矿/Si 叠层电池认证效率已超过35%。多数研究集中于单片 2-T 结构，多端子（3-T 与 4-T）结构因电流匹配约束放宽、能量产出更高、与规模化制造兼容而受到关注，但这类架构可靠且标准化的性能测量实践仍不成熟，阻碍了有效对比与技术转化。美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。

本文给出覆盖外量子效率（EQE）与光谱调节、同步与顺序 I–V 扫描、稳态测量的多端子叠层测量框架，并提出二维最大功率点跟踪（MPPT）与「MPPT + 渐近 PMAX 扫描」两种稳态方法。文中展示了各方法之间的等效性与通量权衡，并指出常见错误来源（例如顶电池置于开路时导致 4-T 效率虚高）。作者认为，该框架为未来 IEC/ASTM 类标准奠定计量基础，支持新兴叠层技术向产业化推进。

叠层电池的效率进展与结构演化

近年来地面应用叠层太阳电池发展迅速，主要由新兴钙钛矿叠层推动。钙钛矿/Si 叠层小面积（1 cm²）电池认证效率达35.0%，大面积（261 cm²）晶圆级电池达 33.4%。

叠层电池已超出常规2端子结构。多端子结构中，3端子与4端子器件因子电池电流匹配要求放宽、能量产出提升而在光伏领域受到更多关注。制造成本是另一优势，4-T器件中每个子电池可单独制备与优化，最终器件通过简单机械堆叠组装。此前已有外延生长 III–V 3-T 叠层、机械堆叠 III–V/Si 3-T 与 4-T 叠层的实现。全背接触 Si 将两个接触端子置于背面，与钙钛矿等可适配的顶电池材料组合，进一步简化了 3-T 结构制备，使研究者与产业化两端都更易实现该设计。

多端子测量的复杂性

多端子叠层电池的性能评估比单片 2-T 更复杂。额外端子增加了电学性能测试中需控制的变量数量，以确证结果反映真实工作条件。

4-T 电池：顶子电池的显著发光耦合效应可能造成底子电池性能高估。若顶子电池端子约束不当（例如置于开路而非工作于 PMAX），顶电池发光产生的光电流会抬高底子电池性能。

3-T 电池：共享内阻带来的耦合会在某一端子悬空或未同时进行多端子扫描时显著影响测量结果。Geisz 等人已在原型全 III–V 3-T 电池中系统分析了测量负载与器件变量的关系。

钙钛矿子电池：钙钛矿子电池引入 3-T 与 4-T 架构后，带来对施加电压响应缓慢的问题，定义测量流程时必须考虑这一因素。

从测试实验室角度，本文目标是建立适用于各类多端子叠层架构的通用测量框架，重点关注两类测量配置：一是降低研究者使用门槛，二是应对新兴钙钛矿器件动态电流响应带来的额外挑战。作者希望通过标准化性能表征实践，提升测量准确度、可重复性与可比性。

实验方法

3-T与4-T叠层的四线制测量方式示意图

地面光伏器件在标准测试条件（STC）下测量，即AM 1.5G光谱、总辐照度 1000 W·m⁻²、电池温度 25 °C。实验室光源无法复现 AM1.5G 参考光谱，须调节模拟器光谱，使被测器件（DUT）每个结产生的光电流与参考光谱一致。DUT 光电流按 IDUT = A∫E(λ)SR_DUT(λ)dλ 计算，其中 E(λ) 为光谱辐照度，SR_DUT(λ) 为光谱响应度，A 为受照面积。叠层器件须逐结满足电流平衡，需要按波长调节辐照度而非仅调整总功率。电流匹配因子 Zi 定义为参考光谱与模拟器光谱下第 i 结光电流之比，准确测试要求 Zi = 1 ± 0.01。室内测试无法在真实参考光谱下测量，引入光谱失配因子 Mi 修正，并用结电流比 Rij = Zi/Zj = Mj/Mi 简化优化；使用单个宽带参考电池时参考电池电流相互抵消，当所有结对的 Rij = 1 时达到光谱电流平衡。缺少光谱调节能力时只能调节总辐照度，引入的误差取决于发光耦合强度。EQE 测量与后续电学性能测试期间，DUT 温度须保持 25 ± 1 °C，待温度稳定后再测；连续光照下可用热电控温台和/或冷风循环配合表面安装温度传感器实时监控。

3-T 与 4-T 的额外端子使各子电池 EQE 可直接测量，但须确保所有端子负载得当。3-T 串联钙钛矿/叉指背接触（IBC）硅叠层中，顶电池 EQE 通过顶部钙钛矿引线与来自同极性 Si 子电池的额外「Z」引线测得，底 Si 电池 EQE 从自身引线测得。存在发光耦合时，悬空引线可与 Z 引线短路或接 PMAX 负载；4-T 叠层中测底子电池 EQE 期间，顶子电池引线应短路或经负载电阻保持在 PMAX。

电学性能测量的关键区别在负载数量：2-T 叠层向单个负载供电，3-T 与 4-T 向两个可独立工作的负载供电，使各子电池功率可独立优化，避开串联电流匹配约束，但单负载常规 I–V 曲线无法完整反映子电池耦合的输出。常规 I–V 扫描速率固定，通常为 50–200 mV·s⁻¹，不测量慢响应器件的稳态性能。测量使用源测量单元（SMU）：同步扫描用两台 SMU A 与 B，分别在对应端子施加 VA 与 VB，同时测量 IA 与 IB，适用 3-T 与 4-T，总功率为 Ptotal(t) = IA(VA, VB, t)·VA(t) + IB(VA, VB, t)·VB(t)；顺序扫描用单台 SMU，未测子电池端子接代表其 PMAX 的负载电阻，仅适用 4-T。3-T 器件三个端子的三个电流与三个电压通过基尔霍夫定律关联：IRᵒ + IZᵒ + ITᵒ = 0，VZT + VRZ + VTR = 0；设定任意两个变量、测量两个、其余由定律算出即可完整表征，本文采用共 Z（CZ）模式。对 III–V 或硅等时间稳定材料，功率式化为 Ptotal(t) = IA(VA, VB)·VA + IB(VA, VB)·VB。4-T 叠层电学耦合可忽略，发光耦合仍存在，带隙沿叠层递减时光学耦合单向，功率式化为 Ptotal(t) = IA(VA)·VA + IB(VA, VB)·VB，顶电池性能不受底电池影响，底电池电流受顶电池工作条件影响；因此顶子电池先用单台 SMU 表征，底子电池在顶子电池经负载电阻保持其先前测得 PMAX 的条件下表征。钙钛矿叠层须引入时间作为额外变量，以稳态值为目标：二维 MPPT 用两台 SMU 对两子电池分步执行「扰动–观察」算法，直至双方收敛；混合法则对一个子电池施加 MPPT，另一子电池保持在其 VMAX 附近的固定偏压并监测电流至稳定，在多个偏压点重复后以多项式拟合提取总体 PMAX。二维 MPPT 每次电压变更间延迟 1 s，功率在最短 5 min 后至少 30 s 内变化小于 0.1%/min 视为稳定，额定功率取最后 30 s 平均；混合法对应最短时间为 1 min，其余判据相同。

测试器件包括串联 GaInP/GaAs 3-T 电池（约 5 mm × 5 mm，两子电池均为 n-on-p 极性）、机械堆叠 GaAs/IBC 硅 4-T 电池、NREL 组装的钙钛矿/硅伪 3-T 器件（封装钙钛矿电池与 780 nm 长通滤光硅电池，钙钛矿负引线接硅正引线共享 Z 引线），以及 CSEM 制备的封装钙钛矿/IBC 硅 3-T 电池（p-i-n 钙钛矿顶电池直接生长在 n 型硅异质结 IBC 底电池上，4 英寸硅片制备 7 个各 4 cm² 电池后激光划片分离，汇流条用带状材料连接，玻璃/玻璃封装配层压膜与边缘密封胶）。

EQE与光谱辐照度调节

串联 GaInP/GaAs 3-T 叠层太阳电池在 AM1.5G 光照下、以共 Z（CZ）模式采用同步常规 I–V 扫描测得的二维（2-D）功率图，自变量为 VTZ 与 VRZ

串联 GaInP/GaAs 3-T 电池以 VTZ 与 VRZ 为变量的二维功率等值线图由两次同步常规 I–V 扫描构建，图中排除对应功率消耗的负功率值；每个功率点取决于两台 SMU 施加的两个电压，电压施加与电流测量的精确同步是准确捕捉全部电学与光学耦合机制的前提。

发光耦合（LC）效应(a) GaAs/Si 4-T 叠层电池的外量子效率（EQE）曲线，(b) 同一电池的 light I–V 与 P–V 曲线

GaAs/Si 4-T 电池的发光耦合效应表现为：顶 GaAs 子电池开路时底 Si 子电池 EQE 在短波处出现明显 QE 拖尾，其短路电流从 11.5 mA 被人为抬升至 15.8 mA，故测量底子电池前必须先测顶子电池以确定 PMAX 条件，否则总效率虚高。

3-T 器件

GaAs/Si 4-T 叠层太阳电池在两个子电池同步 I–V 扫描下测得的功率等值线图

机械堆叠 GaAs/Si 4-T 电池的功率等值线峰值 20.98 mW 与顺序 I–V 扫描所得合计功率 21.03 mW 一致，差值小于 0.2%，远低于约 1.0% 的测量误差，证实两种方式等效；同步扫描的 I–V 矩阵需超过 30 min，顺序扫描不到 1 min，通量差距显著。

4-T 器件

4-T 叠层可顺序测量，也可靠两台同步 SMU 测量以捕捉偏离峰值工作条件，两种方式最大功率结果相同。

动态响应器件

钙钛矿/Si 3-T 叠层电池的三维功率图

钙钛矿/硅伪 3-T 器件在正向与反向扫描下提取的 PMAX 相差超过 5%，说明常规 I–V 扫描不可靠。

3-T 钙钛矿/IBC 硅太阳电池的二维 MPPT 表征

3-T 钙钛矿/IBC 硅太阳电池的混合「MPPT + 渐近 PMAX 扫描」表征

二维 MPPT 的初始偏压为 VA(TZ,PVSK) = 0.9 V、VB(ZR,Si) = 0.5 V；混合法在 VZR,Si 从 0.50 V 至 0.64 V 范围内取点，VZR,Si = 0.546 V 处得稳定过程。两种方法提取的总功率分别为 98.76 mW 与 98.89 mW，相差小于 0.15%，远低于约 1% 的测量不确定度；二维 MPPT 约 6 min，混合法约 20 min，均快于需 4000 s 以上的同步二维 I–V 扫描。

结果与影响

3-T与4-T叠层太阳电池的性能测量框架，含具有慢响应子电池的器件

稳态方法能可靠测量慢响应叠层并推广至常规 3-T 叠层。混合法对钙钛矿/硅伪 3-T 器件给出的稳定 PMAX 为 34.94 mW，高于同步正向 33.06 mW 与反向 34.85 mW；钙钛矿/IBC 硅器件稳定 PMAX 98.76 mW，低于同步正向 99.61 mW 与反向 99.29 mW。

通用框架为先测子电池 EQE 调节模拟器光谱辐照度以保证电流匹配，3-T 叠层在两子电池均快速响应时用同步 I–V 扫描，存在慢响应子电池时用二维 MPPT 或混合法；4-T 叠层用配合光谱调节的同步扫描或对每个子电池单独调节辐照度的顺序扫描，慢响应子电池用稳态方法，存在发光耦合时非被测子电池须经负载电阻保持 PMAX。缺少光谱调节或同步扫描能力会引入不可忽视的误差，例如钙钛矿/IBC 硅 3-T 器件若用分别扫描代替同步扫描，PMAX 会被高估约 5%（103.59 mW 对 98.76 mW）。追求记录或准确基准的测量须具备光谱调节与同步稳态方法，并建议由认可实验室第三方评估；研发阶段可用较宽松流程，但局限与误差来源须明确记录报告。

美能钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT

联系电话：400 008 6690

钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+级LED太阳光模拟器作为老化光源，并在上一代基础上完成全面进阶：光谱范围拓展至300~1700 nm（AM0）、光谱等级达到AAA（AM0）、支持 24 通道独立可调，为钙钛矿太阳能电池、太空光伏及叠层电池（2T/3T/4T）的研究提供了强有力的支持。

▶ 光源等级：AAA（AM0），光谱范围 300~1700 nm，适用于太空光伏测试

▶ 多波段独立可控：24 通道可调（AM0），精准匹配三结、四结叠层电池子电池带隙

▶ 大样品夹具：支持 210×105 mm 叠层电池，夹具采用正背面金线挤压引出电极

▶ 环境可控：支持 15℃~100℃ 半导体控温，同时可在氮气环境（无水无氧）下测试

美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT不仅是性能验证工具，更是钙钛矿与叠层太阳能电池研究的高效测试平台。

原文参考：Performance measurement of emerging 3- and 4-terminal tandem solar cells

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