鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池因其理論效率超40%而成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，透明電極的光學(xué)損失（如反射與寄生吸收）嚴(yán)重限制了短路電流密度JSC的提升。傳統(tǒng)單層透明導(dǎo)電氧化物（TCO）如IZO（鋅摻雜氧化銦）和IZrO（鋯摻雜氧化銦）存在晶化度低、載流子遷移率不足等問題。本研究通過設(shè)計(jì)IZrO/IZO多層薄膜，結(jié)合梯度折射率抗反射策略，并借助美能鈣鈦礦膜厚測試儀對薄膜沉積過程進(jìn)行實(shí)時(shí)厚度監(jiān)控，優(yōu)化電極性能，最終推動疊層電池效率突破30%。

IZrO/IZO多層薄膜的厚度優(yōu)化

全絨面P-I-N型鈣鈦礦/硅疊層電池結(jié)構(gòu)示意圖

研究團(tuán)隊(duì)采用射頻磁控濺射技術(shù)，在玻璃基底上交替沉積IZrO和IZO層，總厚度為80 nm。關(guān)鍵工藝參數(shù)如下：

• IZO層：濺射壓力1.5 mTorr，功率密度2.2 W/cm2，氧分壓3%；
• IZrO層：濺射壓力0.9 mTorr，功率密度3.1 W/cm2，氧分壓0.06%。

通過調(diào)節(jié)厚度比例（如IZrO:IZO = 45:35 nm），優(yōu)化薄膜的結(jié)晶性與光電性能。XRD分析顯示，多層薄膜呈現(xiàn)（222）和（400）雙取向結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸達(dá)50–70 nm，顯著減少晶界散射。

鈣鈦礦/硅疊層電池的制備流程

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底電池處理：在紋理化硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）底電池上沉積20 nm ITO作為隧道結(jié)； 空穴傳輸層：濺射30 nm NiOx并引入2PACz自組裝單分子層（SAM）； 鈣鈦礦吸收層：溶液法沉積鈣鈦礦薄膜； 電子傳輸層：蒸鍍15 nm GeO并原子層沉積（ALD）20 nm SnO?； 透明電極集成：濺射IZrO/IZO多層薄膜（45/35 nm）作為頂部電極； 金屬電極：熱蒸發(fā)Ag柵線，活性面積校準(zhǔn)為1.05 cm2。

單層薄膜的性能缺陷

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(b) IZO和IZrO單層薄膜的光學(xué)透射率對比；(c)單層IZO透明電極的疊層電池的J-V曲線；(d) 單層IZrO透明電極的疊層電池的J-V曲線；(e) 分別采用單層IZO和IZrO透明電極的冠軍電池EQE光譜

• 光學(xué)性能：

IZO在可見光區(qū)（400–800 nm）平均透射率為80.05%，近紅外區(qū)（800–1200 nm）透射率略低；IZrO在可見光區(qū)透射率達(dá)81.25%，但近紅外透射率不足。

• 電學(xué)瓶頸：

IZO因非晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致載流子遷移率低，方塊電阻為60.5 Ω·sq?1； IZrO載流子濃度低（n = 4.81 u×1020cm-3），方塊電阻達(dá)71.5 Ω·sq?1。

• 電池表現(xiàn)：

單層電極電池的開路電壓(VOC< 1900 mV）和填充因子（FF < 79.4%）受限，PCE未超過29.5%。

多層薄膜性能優(yōu)化

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• IZrO/IZO多層薄膜的結(jié)晶特性與光電性能表征

(a) 載流子遷移率、方塊電阻及載流子濃度；(b) 方塊電阻；(c) XRD圖譜；(d) IZrO單層薄膜的截面SEM圖像；(e) IZrO/IZO多層薄膜的截面SEM圖像；(f) IZrO/IZO多層薄膜的光學(xué)透射率對比

優(yōu)化后的多層薄膜（45/35 nm）表現(xiàn)如下： 電學(xué)性能：載流子遷移率，方塊電阻Rsq= 56.7 Ω·sq?1，優(yōu)于單層薄膜； 結(jié)晶性提升：雙取向結(jié)構(gòu)減少晶界散射，晶粒尺寸增大至50–70 nm。

• 梯度折射率對反射率與寄生吸收的影響

(a) IZO薄膜、IZrO單層薄膜及SnO?緩沖層的折射率與消光系數(shù)；(b) IZrO/IZO多層透明電極的疊層電池入射光路徑圖；(c) 光學(xué)反射率對比；(d) 光學(xué)透射率對比；(e) 光學(xué)吸收系數(shù)對比；(f) IZO、IZrO單層薄膜與IZrO/IZO多層薄膜的品質(zhì)因數(shù)對比

梯度折射率設(shè)計(jì)：IZrO（n ≈ 1.9）、IZO（n ≈ 1.8）與SnO?緩沖層（n ≈ 1.6）形成連續(xù)折射率梯度，反射率較單層薄膜降低3.11%； 透光率優(yōu)勢：全波段平均透射率達(dá)81.68%，寄生吸收系數(shù)降低10–15%。

• 不同厚度比例對薄膜性能影響顯著

IZrO:IZO = 30:50 nm：薄膜表面粗糙度增加（RMS > 5 nm），導(dǎo)致透射率下降至78.3%；IZrO:IZO = 50:30 nm：近紅外區(qū)透射率不足（800–1200 nm平均透射率76.2%）；最優(yōu)比例45:35 nm：全波段平均透射率達(dá)81.68%，表面粗糙度降至3.2 nm（AFM測試），且晶粒尺寸均勻（50–70 nm）。

疊層電池性能提升

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冠軍電池的光伏性能(a) J-V曲線顯示效率30.74%；(b) EQE光譜顯示頂?shù)纂姵仉娏髌ヅ?/span>

采用IZrO/IZO多層電極的疊層電池關(guān)鍵指標(biāo)：

• JSC：19.86 mA/cm2（EQE積分電流匹配度>99%）；
• VOC：1916 mV（低電阻減少電壓損失）；
• FF：80.75%（能級匹配降低非輻射復(fù)合）；
• PCE：30.74%（當(dāng)前室溫濺射TCO電極最高效率之一）。

本研究通過IZrO/IZO多層薄膜設(shè)計(jì)，結(jié)合晶格優(yōu)化與梯度折射率策略，顯著提升了透明電極的光電性能。疊層電池效率突破30%，驗(yàn)證了該電極的產(chǎn)業(yè)化潛力。

美能鈣鈦礦膜厚測試儀

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美能鈣鈦礦膜厚測試儀利用光學(xué)干涉原理，通過分析薄膜表面反射光和薄膜與基底界面反射光相干涉形成的光譜，快速、連續(xù)監(jiān)測工業(yè)產(chǎn)線上各式薄膜的厚度以及光學(xué)常數(shù)，快速準(zhǔn)確測量薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)等信息。

• 膜厚測試范圍：20nm~2000nm
• 膜厚測試精度：±1nm
• 膜厚重復(fù)性測量精度：＜1%（100次連續(xù)測試）

美能鈣鈦礦膜厚測試儀保障了本研究中多層薄膜的精確制備，IZrO/IZO多層透明電極憑借高遷移率、低反射與寬譜透光特性，為鈣鈦礦/硅疊層電池的效率提升提供了創(chuàng)新解決方案，有望成為下一代高效光伏電池的核心組件。

原文出處：IZrO/IZO multilayer thin film as transparent electrode in perovskite/silicon tandem solar cell

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