Nature Energy:钙钛矿/硅叠层电池33.3%效率突破！

单片钙钛矿/硅串联太阳能电池为超越单结光伏电池的效率限制提供了一条有希望的途径。然而，其性能、稳定性和可扩展性受到复合层的制约，该层必须同时实现高效的电荷复合、高光学透明度以及稳定的界面化学性质。现有含铟透明导电氧化物面临成本与可持续性方面的挑战，而硅基隧道结则存在寄生光学损耗问题。

苏州大学杨新波教授、张晓宏教授，香港理工大学殷骏，无锡博达新能科技有限公司Zhu Jun，杭州众能光电科技有限公司等Shi Lei等人研究表明，钛氧氮化物（TiOxNy）可作为一种多功能的无铟复合层，满足这些相互矛盾的要求。导电的TiOxNy能够实现高效的垂直载流子复合，抑制横向泄漏，并通过三配位结合结构为自组装单分子层（SAMs）提供锚定位点。

因此，本文实现了1.0 cm2器件的功率转换效率（PCE）为33.3%，工业尺寸（207.87 cm2）叠层电池的PCE为30.6%，同时具备更优的运行稳定性。研究结果表明，TiOxNy可作为一种具备规模化应用潜力、环境友好的中间层互连结构，适用于叠层光伏电池。

相关工作以《High-performance perovskite/silicon tandem solar cells enabled by multifunctional titanium oxynitride recombination layers》为题在《Nature Energy》上发表论文。

图文介绍

图1 采用TiOxNy的实验室尺寸叠层电池性能

图1a展示了含TiOxNy复合层（RL）的钙钛矿/硅叠层太阳能电池的结构。硅异质结（SHJ）底部电池具有双面亚微米级纹理，可减少反射并促进层状沉积。通过反应溅射在纹理表面均匀地形成了TiOxNy RL。HAADF-STEM和EDX元素分布图证实了Ti、O和N在界面处均匀分布（图1b）。连续的TiOxNy层（约8 nm）被确认为宽带隙钙钛矿吸收层，其后依次覆盖C60、SnO2、氧化铟锌（IZO）和MgFx功能层。

图1c展示了优化后的TiOxNy RL实验室级叠层器件的性能，与采用传统IZO RL（10 nm）的对照器件并列对比。基于TiOxNy的叠层器件实现了33.3%（1 cm2）的最高PCE，其中开路电压Voc为1.988 V，短路电流密度Jsc为20.91 mA cm⁻²，填充因子FF为80.11%。稳定输出功率验证了其PCE为33.04%（图1d），而日本电气安全与环境技术实验室的独立认证结果则确认其PCE为32.8%。外部量子效率（EQE）光谱（图1e）显示，钙钛矿子电池的积分光电流密度为21.51 mA cm-2，SHJ子电池为20.87 mA cm-2，与测得的Jsc值一致。

在室温下、N2环境中，于连续1秒光照条件下通过最大功率点（MPP）追踪来评估其运行稳定性。封装的TiOxNy基叠层器件在2000小时后仍能保持初始PCE的90%（T90），在相同条件下优于IZO基叠层器件（T90≈900小时）（图1f）。进一步根据国际标准的湿热条件（85℃/85%相对湿度）对封装后的串联装置进行了评估。实验室规模的叠层器件在1000小时后仍保留了初始PCE的92.4%，明显优于对照器件（80.3%）（图1g）。

图2 采用TiOxNy的工业尺寸叠层电池性能

进一步在工业级叠层太阳能电池（210 mm×105 mm）中验证了TiOxNy RL的作用，该电池采用槽式涂覆的宽禁带钙钛矿顶层电池，并具有相似的结构。通过单个工业尺寸电池（207.87 cm2）制造的叠层微型组件，实现了30.6%的PCE，且滞后效应可忽略不计（图2a）。稳定后的功率输出表明其PCE为30.43%（图2b）。与实验室规模的叠层器件相比，工业级器件的Jsc显著降低，仅为18.41 mA cm-2（图2c）。然而，TiOxNy在放大后表现出比IZO更好的Jsc保持能力，这与大面积制备过程中器件均匀性和界面稳定性的提升相一致。

进一步研究了叠层微型模块的长期稳定性。在N2环境下，持续1小时光照、85℃条件下，基于TiOxNy的器件在经过800小时最大功率点追踪后，仍保持了初始PCE的85.4%，优于对照器件（69.6%）（图2d）。在湿热测试中，叠层微型模块在1000小时后仍保留了初始PCE的90%，明显优于对照器件（75.2%）（图2e）。与实验室尺寸器件类似，性能衰减主要与Voc和FF的降低有关。这种提升的稳定性归因于坚固的TiOxNy/SAM界面，该界面有效抑制了非辐射复合、离子迁移和电荷泄漏。

图3 TiOxNy的光电性质

这些改进可归因于两种协同效应：（1）TiOxNy/SAM中优化的能级对齐和表面电势均匀性，通过降低缺陷密度促进了电子-空穴复合的高效进行；（2）TiOxNy与SAM之间更强的化学相互作用增强了钝化效果，并在钙钛矿结晶过程中提供了外延模板。这些机制共同作用，使钙钛矿薄膜具有更低的缺陷密度、更优的光电性能以及抑制的非辐射复合，从而整体提升了开路电压、填充因子和器件的效率。

文献信息

High-performance perovskite/silicon tandem solar cells enabled by multifunctional titanium oxynitride recombination layers，Nature Energy，2026.

https://www.nature.com/articles/s41560-026-02116-4

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