RESEARCH ARTICLE

Tunnel junction simulation of all-perovskite tandem solar cells    

Xuke Yang, Jiang Tang, Chao Chen

2026, 19(1): 2.https://doi.org/10.2738/foe.2026.0002

Abstract

All-perovskite tandem solar cells are a promising photovoltaic technology, but their efficiency is strongly limited by the tunnel junction. The tunnel junction enables carrier tunneling and recombination, which depend on the interfacial band alignment. Through quantitative simulations using Silvaco Technology Computer Aided Design (TCAD), we find that hole tunneling is intrinsically more difficult than electron tunneling in the tunnel junction. Efficient tunnel junctions require minimizing the barrier for holes while maintaining a moderate barrier for electrons to balance tunneling. For the SnO2/metal/PEDOT:PSS tunnel junction in all-perovskite tandem solar cells, tuning the metal work function achieves balanced electron and hole tunneling, reduces junction resistance, and directly enhances performance of tandem solar cells. This work provides quantitative design rules for tunnel junction optimization, offering a clear pathway toward high-performance all-perovskite tandem solar cells.

研究背景

全钙钛矿叠层太阳能电池（TSC）效率已超过30%，但距理论极限（约45%）仍有差距。其中，连接顶底子电池的隧道结是关键瓶颈。传统III-V族叠层电池采用重掺杂p⁺⁺/n⁺⁺隧道结，隧穿效率高；而全钙钛矿叠层中，SnO₂电子传输层（ETL）和PEDOT:PSS空穴传输层（HTL）掺杂浓度低，无法实现有效的带间隧穿，通常引入超薄金属层（如Au）辅助隧穿。然而，金属功函数对界面能带排列及隧穿效率的影响机制尚不明确，缺乏定量设计规则。

主要内容

本研究利用Silvaco TCAD软件对全钙钛矿叠层电池中的SnO₂/金属/PEDOT:PSS隧道结进行定量仿真。研究表明，因PEDOT:PSS中空穴有效质量高达4.8 m₀，而SnO₂中电子有效质量仅0.2 m₀，空穴隧穿本质上比电子隧穿困难得多。通过系统调节中间金属的功函数（4.2 eV至5.6 eV），分析了不同界面势垒下电子和空穴的隧穿电流、结等效串联电阻及对整体器件性能的影响。结果表明，高效隧道结需要最小化HTL/金属界面的空穴势垒，同时保持ETL/金属界面适中的电子势垒，以实现空穴和电子的平衡隧穿。最优功函数范围为5.0-5.2 eV（接近Au的5.1 eV），此时串联电阻降至约10⁻² Ω·cm²，器件填充因子达85%以上，光电转换效率达34.01%。

创新点

l 定量揭示了全钙钛矿隧道结中空穴隧穿比电子隧穿困难的根本原因：由于PEDOT:PSS中空穴的有效质量比SnO₂中电子的有效质量大得多，导致空穴隧穿概率比电子低约4个数量级。

l 提出了平衡电子与空穴隧穿的金属功函数设计准则：明确指出隧道结优化的核心是降低HTL/金属界面势垒（至≤0.2 eV）以促进空穴隧穿，同时避免ETL/金属界面势垒过高（<0.5 eV）以维持电子隧穿，从而实现载流子输运平衡。

l 系统仿真并验证了金属功函数对隧道结串联电阻及叠层电池性能的单调影响规律：将功函数分为三个区间（低、中、高），分别对应空穴限制、平衡隧穿、电子限制区，并给出最优窗口。通过敏感性分析（掺杂、有效质量、温度）证实了最优功函数范围的鲁棒性。

结论

本研究通过定量TCAD仿真，揭示了全钙钛矿叠层太阳能电池中SnO₂/金属/PEDOT:PSS隧道结的载流子隧穿机制，明确了空穴隧穿是主要限制因素，其根源在于PEDOT:PSS中空穴的大有效质量。提出了通过调节金属功函数至5.0-5.2 eV，可同时最小化HTL/金属界面空穴势垒并保持ETL/金属界面适中电子势垒，从而实现空穴和电子的平衡高效隧穿，将隧道结串联电阻降至可忽略水平。该优化使叠层电池效率达到34.01%，且设计准则对材料参数和工作温度变化具有鲁棒性。这项工作为高性能全钙钛矿叠层太阳能电池的隧道结工程提供了清晰的定量设计规则，对推动该领域效率进一步提升具有重要指导意义。

（以上文字包含AI生成内容，仅供参考；请以原文为准。）