调控表面粗糙度：钙钛矿/硅叠层电池达32.6%效率
钙钛矿-硅叠层太阳能电池已突破单结器件的效率极限，具备大规模应用前景。目前研究主要集中在钙钛矿顶电池及其界面优化上，而硅底电池的关键作用却未得到充分探索。美能QE量子效率测试仪可用于精确测量太阳电池的EQE与光谱响应，帮助优化界面工程和背接触设计，从而提升电池的量子效率和整体性能。
本文系统研究了硅异质结（SHJ）底电池上表面纳米粗糙度对整体叠层器件性能的影响，并提出通过调控氢化纳米晶硅（(n)nc-Si:H）层的厚度或在其沉积前进行氢/二氧化碳混合等离子体处理，可有效调控表面形貌，进而提升器件性能。
研究背景与意义
Millennial Solar
叠层电池的高效率依赖于钙钛矿顶电池与硅底电池的协同优化。在用于溶液法钙钛矿-硅叠层的SHJ底电池中，通常采用n型硅层（作为电子传输层），包括氢化非晶硅（(n)a-Si:H）、纳米晶硅（(n)nc-Si:H）及氧化合金层（(n)nc-SiOx:H）。
其中，nc-Si:H基层具有更优的光电特性，已在高效单结SHJ电池中广泛应用。这些层为混合相材料，由嵌入非晶基体中的纳米晶组成，其表面通常呈圆顶形貌，产生纳米尺度粗糙度。
这种形貌受两相生长速率比控制，可通过膜厚、沉积参数或衬底预处理进行调控。表面粗糙度显著影响后续自组装单分子层（SAM）的锚定及钙钛矿薄膜质量，进而影响整体器件性能，但此前其具体影响常被忽视。
研究方法与设计
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A. 单片钙钛矿-硅叠层器件示意图。B. 采用不同底电池的叠层器件的开路电压（VOC）和填充因子（FF）。C. 相应器件的光致发光（PL）图像和截面扫描电子显微镜（SEM）显微照片
本研究采用两种方法调控纹理化c-Si底电池的表面纳米粗糙度：
改变 (n)nc-Si:H 层厚度（从约15 nm至70 nm）。
在沉积 (n)nc-Si:H 前，施加不同时长（0、15、30、60秒）的 H₂/CO₂ 混合气体等离子体处理（PT），并固定 (n)nc-Si:H 厚度为15 nm。
制备了两种底电池：基于15 nm厚（Type-1）和25 nm厚（Type-2）(n)nc-Si:H层。所有叠层器件采用相同的钙钛矿顶电池工艺。
粗糙度调控及其对薄膜性质的影响
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A. SEM显微照片B. σd和Ea，以及C. 结晶体积分数（由拉曼光谱估算），均作为等离子体处理时长的函数D. 用于TLM测量的ρc测试结构的示意图（插图）和代表性I-V曲线E. n型接触叠层的提取ρc，以及F. 展示15纳米厚(n)nc-Si:H层其τeff值随等离子体处理时长的变化G. 具有(i)a-Si:H涂层（6纳米厚）的纹理化样品的反射光谱
厚度调控：随着(n)nc-Si:H厚度增加，表面纳米粗糙度增加，薄膜结晶度、暗电导率（σd）提高，活化能（Ea）下降。但更厚的层导致更长沉积时间及更高的红外寄生吸收，降低底电池电流。
等离子体处理：即使对于15 nm的薄层，短时（15秒）等离子体处理也能显著诱导纳米粗糙度形成，表现为金字塔表面出现密集纳米级凸起。延长处理时间（60秒）会导致晶粒聚集，形成更大球形特征。该处理能显著提升薄膜电学性能：15秒处理使15 nm厚(n)nc-Si:H的σd从3.6×10⁻⁵ S/cm提升至0.6 S/cm，Ea大幅降低，结晶度增强，效果堪比100 nm厚层。
电学与钝化特性：
接触电阻（ρc）：等离子体处理时长≤30秒时，ρc从约88 mΩ·cm²降至79 mΩ·cm²；60秒处理则因可能形成较厚界面氧化层导致ρc回升至89 mΩ·cm²。
钝化质量：等离子体处理会劣化(i)a-Si:H/c-Si界面的钝化（有效少子寿命τeff下降），可能与CO₂等离子体引入氧导致非晶网络脱氢有关。在(n)nc-Si:H上添加2 nm厚(n)a-Si:H盖帽层可有效缓解钝化退化，并减少后续ITO溅射损伤，但略微增加ρc。
光学特性：更长的等离子体处理时间导致反射率逐渐降低（尤其在短波区），证实了表面纳米粗糙度的增强。此光学行为在沉积10 nm ITO后依然保持。
对SAM沉积与钙钛矿薄膜形成的影响
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A. 在不同等离子体处理（PT）时长的(n)nc-Si:H层的纹理化c-Si晶圆上沉积HTL-SAM后的接触角值B. 价带顶（VBM）和功函数（WF）值，以及C. 具有不同等离子体处理时长的n型层/ITO/SAM（叠层）在SAM沉积前后的功函数偏移（ΔWF）。D. 截面SEM显微照片以及基于GIWAXS测量的（100）衍射峰方位角积分强度。E. 沉积在不同n型层/ITO/SAM叠层上的钙钛矿薄膜的准费米能级分裂（QFLS，Δμ）图像
表面能与功函数：更高的表面纳米粗糙度导致HTL-SAM溶液接触角增大（表面能降低），并使SAM沉积后的功函数偏移（ΔWF）更大。这表明粗糙表面促进了SAM分子的更紧密堆积，增强了界面偶极子效应。
钙钛矿薄膜质量：在经30秒等离子体处理的样品上沉积的钙钛矿薄膜，显示出更大、更均匀的晶粒，以及更明显的（100）晶面择优取向（通过GIWAXS测量），这有利于载流子迁移。绝对PL成像显示，在这些样品上的钙钛矿薄膜具有更高的PL强度和更均匀的准费米能级分裂（QFLS，Δμ ≈ 1290 meV），表明非辐射复合减少。
叠层太阳能电池性能
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A. 采用不同n型层（叠层）的钙钛矿-硅叠层太阳能电池的J-V参数B. 每种n型层（叠层）最佳器件的J-V特性曲线，以及C. 相应叠层太阳能电池的外量子效率（EQE）光谱
与采用6 nm厚 (n)a-Si:H层的器件相比，采用15 nm厚 (n)nc-Si:H层的器件有效抑制了漏电，开路电压（VOC）和填充因子（FF）分别从~1920 mV、~68% 提升至 ~1945 mV、~75%。这主要归因于粗糙度增加带来的更大ΔWF以及更低的ρc。
增加2 nm (n)a-Si:H盖帽层可略微提升VOC（得益于钝化改善）。
施加等离子体处理（尤其是30秒）可进一步提升FF，最终使器件效率提高。
所有样品的短路电流密度（JSC）基本相当。
最佳结果：采用15 nm (n)nc-Si:H + 2 nm (n)a-Si:H叠层结构，并施加30秒等离子体处理，实现了最高32.6%的转换效率。
实验方法概要
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研究使用n型FZ硅片，制绒后经PECVD沉积(i)a-Si:H及各类n型层（包括(n)a-Si:H、(n)nc-Si:H及其叠层），并进行等离子体处理。
随后溅射ITO，制作背场与背反射镜。钙钛矿顶电池采用2PACz作为HTL-SAM，沉积宽带隙（~1.68 eV）钙钛矿吸收层，并辅以C60/SnO2作为ETL，最终蒸发IZO前电极和MgF2减反射层。
器件性能通过J-V测试、EQE、PL成像、SEM、AFM、拉曼光谱、开尔文探针、GIWAXS等多种手段进行系统表征。
本研究揭示了硅底电池表面纳米粗糙度是影响钙钛矿-硅叠层太阳能电池性能的关键、且此前未被充分重视的设计参数。通过调整(n)nc-Si:H层厚度或采用H₂/CO₂混合等离子体预处理，可有效调控粗糙度。增加的粗糙度改善了SAM锚定，提高了界面偶极子强度，进而优化了HTL/钙钛矿界面质量和钙钛矿薄膜结晶性，最终显著提升了器件FF和效率。等离子体处理法尤其适用于在薄(n)nc-Si:H层中高效引入粗糙度，有利于减少工艺时间和寄生吸收。这项工作为超越当前以钙钛矿优化为核心的策略提供了新思路，对推动叠层电池产业化及相关硅基薄膜技术（如SHJ电池）具有广泛意义。
美能QE量子效率测试仪
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美能QE量子效率测试仪可以用来测量太阳能电池的光谱响应，并通过其量子效率来诊断太阳能电池存在的光谱响应偏低区域问题。它具有普遍的兼容性、广阔的光谱测量范围、测试的准确性和可追溯性等优势。
兼容所有太阳能电池类型，满足多种测试需求
光谱范围可达300-2500nm，并提供特殊化定制
氙灯+卤素灯双光源结构，保证光源稳定性
原文参考：Tuning the surface nanoroughness of the recombination junction for high performance perovskite-silicon tandem solar cells
