叠层太阳能电池的子结EQE 为什么不能直接测？

摘要：2T串联叠层太阳能电池的子结EQE 不能仅靠单色波长扫描直接分离。可靠测量需要用偏置光、必要时的偏置电压控制非目标子结工作状态，再通过子结EQE 积分电流检查current matching 与测量自洽性。

1. 为什么叠层太阳能电池需要单独的EQE 测量方法？

对于单结太阳能电池，EQE测量的逻辑相对直观：用调制单色光逐波长照射器件，记录相应光电流，再经光子通量标定得到外量子效率。对于两端串联（2T）叠层器件，这个逻辑不能原样照搬。

原因在于：2T叠层的多个子电池串联连接，外部端口只能看到整个串联系统的电流。即使探测单色光主要被某一个子结吸收，外部测得的增量电流仍受其他子结的工作状态限制。因此，子结EQE测量的关键不是“单色光照到了哪个子结”，而是通过偏置光、必要时的偏置电压，把非目标子结置于合适工作状态，使目标子结的微扰响应能够从串联系统中被分辨出来。

IEC 60904-8-1 专门针对多结光伏器件的光谱响应测量给出指导，也说明了多结器件不能简单按单结器件处理。本文重点讨论常见的2T 串联叠层；对于4T 等电学独立结构，子电池可以分别接入，测量逻辑不同。

图1. 2T叠层器件的子结EQE 不能仅靠波长扫描直接分离，关键是控制非目标子结的工作状态。

2. 2T 串联结构：外部端口看到的是同一串联电流

2T叠层太阳能电池通常由吸收不同波段的子电池串联组成。例如宽带隙顶电池主要利用较短波长光，窄带隙底电池主要利用透过顶电池后的较长波长光。两个子结在光谱上分工不同，但在电学上共享同一串联电流。

EQE测量使用的是一个随波长扫描的调制探测光。若只施加这束探测光，在某个波长处即便主要是顶电池吸收并产生光生载流子，底电池如果没有产生足够的光电流，仍可能成为串联系统的限制环节。此时锁相检测得到的电流响应并不能简单等同于顶电池的真实EQE。反过来，测底电池时也存在同样的问题。

因此，叠层子结EQE 的“选择性”首先来自工作点控制，而不仅仅来自波长选择。

图2.测量顶电池EQE 时，可用底电池响应波段的偏置光提高底电池光生电流，使顶电池的调制响应得到分辨。

3. 测顶电池：用长波偏置让底电池不再限制响应

测量顶电池时，探测光通常选择顶电池响应显著的短波区域。为了让外部电流的微扰主要由顶电池决定，需要用底电池能够有效吸收的连续偏置光照射器件，使底电池产生足够大的稳态光电流。

这样做的目的不是把底电池“关掉”，而是让它在串联系统中不再成为限制增量响应的子结。换句话说，非目标子结被光偏置到更充分的导通状态后，扫描探测光造成的增量电流才更接近目标顶电池的光谱响应。

实际文献中的偏置条件会随材料和器件结构变化。例如2025 年的钙钛矿/硅叠层研究使用850 nm 红外偏置光饱和硅底电池后测量钙钛矿顶电池；另有研究同时使用780 nm 和 940 nm的红外 LED对底电池进行偏置。这些具体波长不能直接照搬到其他叠层体系，原则是让非目标子结获得足够光生电流，同时尽量减少对目标子结的直接激发。

图3.测量底电池时通常先用短波偏置顶电池；若偏置光不足以建立合适工作点，还可能需要外加偏置电压。

4. 测底电池：短波偏置之外，何时还需要偏置电压？

测量底电池时，常用短波或蓝光偏置顶电池，使顶电池产生较大的稳态光电流，减少其对串联响应的限制。但仅靠偏置光并不总能把器件带到合适的测量工作点。

在 2T叠层中，各子结的电压会随光照、偏置条件和器件特性重新分配。为了使目标子结尽量接近希望测量的工作状态，尤其是接近短路条件，有些体系还需要施加外部偏置电压。2025年的多篇钙钛矿/硅叠层研究在子结EQE 测量中同时使用偏置光和外加偏压，例如测顶、底子结时分别设置不同的偏置电压，以维持合适的子结工作状态。

因此，“叠层EQE 必须加多少伏”没有通用答案。是否需要偏置电压、偏置极性和数值，应根据器件结构、偏置光强度、目标子结的I–V 行为以及测量结果对偏置条件的稳定性来确定。

图4.偏置不足、波段选择不合适或偏置过强，都可能使测量结果偏离目标子结的真实光谱响应。

5. 偏置不合适的典型表现

偏置不足最常见的后果，是非目标子结仍然限制串联电流，使目标子结EQE幅值被压低。另一种情况是偏置光谱选择不合适：偏置光同时被目标子结明显吸收，改变了目标子结本身的载流子密度和工作状态，测得的响应就不再代表预期条件下的子结EQE。

偏置过强也不一定更好。过高光强可能引入光强非线性、填充状态变化或其他光致变化；过大的外加电压也可能让器件偏离希望模拟的工作状态。对于钙钛矿、有机等对光照历史和电场更敏感的器件，还应关注时间漂移、离子迁移或迟滞等因素。

判断偏置条件是否合适，不能只看曲线“像不像”。更稳妥的做法是改变偏置光强、偏置波段或偏置电压后复测：在合理范围内，目标子结EQE 的主要谱形和积分电流应趋于稳定。如果小幅改变偏置条件就引起明显幅值或谱形变化，说明子结隔离或工作点仍需检查。

图5.将各子结EQE 与参考太阳光谱积分，可得到子结积分短路电流密度并判断2T 叠层的电流匹配。

6. 吸收区重叠时的进一步问题

标准偏置光方法隐含一个重要前提：存在能够优先激发非目标子结、同时尽量少影响目标子结的光谱区域。如果两个或多个子结的吸收区高度重叠，这个条件可能不成立。

2025 年 Fraunhofer ISE 与University of Ottawa 等团队报道了针对吸收区重叠多结器件的子结分辨EQE 方法。研究指出，单纯依赖光偏置在吸收重叠明显时可能不足，并提出利用反向电压偏置和多结器件阶梯状I–V 平台区来选择不同子结的测量工作点。

这说明“偏置光+单色扫描”不是所有多结器件的万能方案。对复杂叠层，需要根据子结吸收重叠、击穿行为、电压耦合和器件非线性选择更合适的分辨方法。

图6.可靠的叠层子结EQE 需要明确目标子结、设定偏置条件、扫描响应并通过偏置依赖与积分电流进行验证。

7. 用子结EQE 积分判断current matching

获得顶、底子结EQE 后，可以与参考太阳光谱的光子通量进行积分，估算每个子结在该参考光谱下可产生的积分短路电流密度。常用表达为：

Jsc = q ∫ EQE(λ) · Φ(λ) dλ

其中 q 为元电荷，Φ(λ)为参考光谱对应的光子通量密度。若使用AM1.5G 等标准参考光谱，就可以分别得到Jsc,top 和 Jsc,bottom。

对于理想化的2T 串联叠层，稳态电流受较小子结电流约束。因此，如果Jsc,top 明显小于Jsc,bottom，顶电池偏向电流限制；反之则底电池更可能限制。两者接近时，说明电流匹配较好。

但“积分电流更小的子结限制电流”只是对子结光生电流匹配的判断，不等于已经解释了器件的全部效率损失。Voc、FF、串联/并联电阻、界面复合以及光谱失配等因素仍会影响最终J–V 和PCE。当前高效率钙钛矿/硅叠层研究普遍同时报告子结EQE 积分电流与J–V 的Jsc，以作为测量自洽性和电流匹配的重要检查。

8. 建议的实验流程

实际测试时，可以按照以下顺序减少误判：先明确叠层结构和各子结主要吸收波段；再确定本轮需要测量的目标子结；为非目标子结配置能够产生足够光电流的偏置光；必要时施加偏置电压，把目标子结置于合适的测量工作点；在固定条件下扫描调制单色光获得EQE；最后改变偏置条件复测，并比较EQE 谱形、积分Jsc 以及与器件结构和J–V 结果是否一致。

需要特别记录的实验条件包括偏置光光谱与强度、偏置电压、探测光光斑、有效面积、扫描方向、调制频率和样品稳定时间。对不同样品进行横向比较时，这些条件应尽量保持一致。

9. SolarYield 与叠层EQE 测量

SolarYield 是面向太阳能电池的量子效率与光谱响应测量平台，可获得EQE/IPCE、IQE、光谱响应度和等效积分短路电流密度，适用于硅基、CIGS、GeTe、有机、钙钛矿以及叠层光伏器件。

对于叠层器件，测试重点不只是得到一条EQE曲线，而是按照器件结构设置目标子结、偏置光/偏置电压和对应测试条件，再分别获得子结响应，并通过积分电流判断电流匹配情况。SolarYield可作为这一测量过程的平台基础；具体偏置条件仍应根据器件结构和实验目的确定。

10相关设备

太阳能电池量子效率测量系统SolarYield

SolarYield是一款太阳能电池量子效率与光谱响应测量平台，用于获得EQE、IQE、光谱响应度和等效积分电流密度，并可扩展能量损耗分析。系统覆盖常规与近红外光伏器件。适用于晶硅、钙钛矿、有机、CIGS、叠层和多结太阳能电池研发。钙钛矿/硅叠层、多结与窄带隙太阳能电池需要宽波段EQE、偏置条件和子电池电流匹配分析。SolarYield可测量EQE、IQE、光谱响应度与积分电流，并用于比较顶电池、底电池和不同吸收层的光谱贡献。

(1) 支持EQE/IPCE、IQE、光谱响应度、等效积分电流密度和能量标定等核心光伏表征。

(2) 工作波长可配置300-1100 nm或300-1800 nm（支持扩展至2500nm），覆盖硅基、叠层、CIGS、OPV与钙钛矿器件。

(3) 高灵敏EQE测试精度达到10⁻⁷级，支持多通道器件自动切换和0.5-10 mm可调光斑。

(4) 集成三轴位移、高清可视化对位和软件能量标定，并可扩展带隙及能量损耗分析模块。

(5) 偏置光、偏置电压、宽波段探测与自动对位适合分别测量叠层器件各子电池的光谱响应。

SolarYield

参考资料

1. IEC 60904-8-1:2017. Photovoltaic devices – Part 8-1: Measurement of spectral responsivity of multi-junction photovoltaic (PV) devices. https://webstore.iec.ch/en/publication/30014.

2. Beattie MN, et al. Subcell-Resolved EQE Method Using Reverse Voltage Biasing for Multijunction Photovoltaics With Overlapping Subcell Absorptance. Progress in Photovoltaics, 2025. DOI: 10.1002/pip.3914. https://doi.org/10.1002/pip.3914.

3. Iceberg-like pyramids in industrially textured silicon enabled 33% efficient perovskite-silicon tandem solar cells. Nature Communications, 2025.https://www.nature.com/articles/s41467-025-62389-3.

4. Interfacial design strategies for stable and high-performance perovskite/silicon tandem solar cells on industrial silicon cells. Nature Communications, 2025.https://www.nature.com/articles/s41467-025-64467-y.

5. Uniform phase distribution of wide bandgap perovskite for high-performance perovskite-silicon tandem solar cells. Nature Communications, 2025.https://www.nature.com/articles/s41467-025-66480-7.

6. 东谱科技：太阳能电池量子效率测量系统SolarYield 产品资料。https://www.orientalspectra.com/ProductDetail/7321956.html.