Nature：钙钛矿-硅串联太阳能电池效率32.5%！铟耗量减少80%！

近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf研究团队通过使用超薄非晶态铟锌氧化物（IZO）作为连接透明导电氧化物（TCO）来解决在纹理硅底层电池上实现能量均匀的自组装单分子层（SAM）覆盖的挑战。他们还通过薄的IZO后电极和改进的前接触堆栈进行光学增强。该方法使得认证的转换效率（PCE）达到32.5％，是报道的钙钛矿/硅串联电池中最高的之一。此外，超薄透明电极的使用减少了约80％的铟消耗，有助于可持续的光伏制造。

研究背景

钙钛矿-硅串联太阳能电池具有高效率和低成本的潜力，但表面势能不均匀是制约其高性能的一个挑战。过去的研究主要集中在改善表面势能不均匀的问题，如通过改进自组装单分子层（SAM）的覆盖率和表面性质来提高钙钛矿-硅串联太阳能电池的性能。但调节钙钛矿子电池空穴选择性侧的表面电势相对较少受到关注，特别是在使用主流硅光伏制造中普遍存在的纹理底部电池时。

关键问题

能量损失问题

在以前的研究中，不均匀的表面电位的问题在于它可能导致串联太阳能电池的能量损失。钙钛矿亚电池的空穴选择性侧的表面电位（自组装单层（SAM）被锚定）在激活接触的空穴选择性方面起着至关重要的作用。然而，纳米级表面化学计量和底层透明导电氧化物（TCO）的粗糙度会影响SAM可用锚定位点的密度，导致表面电位的变化。这些变化可能导致电荷提取和电分流效率低下，最终影响串联太阳能电池的整体性能。

新思路

近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf研究团队通过使用超薄的非晶态氧化铟锌（IZO）作为互连透明导电氧化物（TCO），解决了钙钛矿-硅串联太阳能电池中表面势能不均匀的问题，并通过光学增强和改进的前接触结构，实现了独立认证的32.5%的光电转换效率，为钙钛矿-硅串联太阳能电池的高性能提供了新的途径。

技术优势：

1.用薄型互连透明导电氧化物（TCO）层：

通过采用超薄透明电极的方法，减少了约80%的铟消耗。通过优化前接触堆叠和等效薄IZO后电极，实现了独立认证的32.5%的能量转换效率，这在钙钛矿/硅串联太阳能电池中属于最高水平。

2.增强的电场和能带弯曲：

通过能带调控工程，实现了有效的子电池之间的电荷传输，提高了光伏效率。通过界面能级调控，解决了前接触和后接触之间的能量损失问题，提高了电池的开路电压和填充因子。

3.使用自组装单层（SAM）的表面钝化：

作者研究了SAM用于钙钛矿/硅叠层太阳能电池表面钝化的应用。SAM有助于减少表面复合并提高整体器件性能。通过改进接触设计，提高了电池的稳定性和性能。

研究内容

使互连结点处的电势分布均匀化

研究表明，理想的互连结点应该提供均匀的表面电位，并最小化由长程钙钛矿非均匀性（如针孔）引起的电子通道的影响，并最大化各个子电池中的光耦合。先前的研究尝试通过改善自组装单分子膜（SAM）在氧化物表面的吸附来均匀化SAM高温脱附层（HTL）的电位分布。然而，这些方法未能实现表面电位的均匀化。因此，本研究通过在互连透明导电氧化物（TCO）上直接增加SAM的覆盖率来解决这个问题。研究人员研究了掺杂锡、锌和锆的退火铟氧化物（ITO、IZO和IZrO）以及应用小分子SAM（如2-(9H-咔唑-9-基)乙基膦酸）在TCO上的最大化包装密度。通过后退火，所有TCO的片电阻和载流子浓度得到了优化。研究结果显示，不同的互连TCO存在表面电位均匀性的空间变化，这是由于多晶性材料（如ITO、IZrO）的不均匀性引起的。

图1 互连结的均匀表面电势

通过超薄 IZO 互连层提高填充因子

研究人员通过将纹理钙钛矿/硅串联电池中的TCO互连层厚度从20纳米减小到2纳米，系统地评估了其对器件性能的影响。他们发现，减薄互连层可以提高串联电池的性能。然而，薄于2纳米的TCO会导致较低的开路电压和填充因子，可能是由于微米级金字塔上的薄膜不连续性引起的；5纳米是器件性能的最佳厚度。

此外，在研究的5纳米厚互连TCO中，IZO在开路电压和填充因子方面优于ITO和IZrO。这些结果与2PACz的覆盖因子和通过UPS获得的ΔWF值的趋势一致。通过KPFM表面电位映射进一步确认了IZO的ΔWF更高。

研究人员还通过横截面高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和能量色散X射线光谱（EDS）的元素映射验证了IZO层在纹理表面上的均匀性。通过使用薄互连TCO制备的串联电池显示出统计上改善的填充因子。这种改善可能是由于增强的电场导致接触界面内钙钛矿中的带弯曲，从而抑制载流子复合并提高空穴收集效率所致。

值得注意的是，与20纳米对应物相比，5纳米的IZO层产生了更高的电场，可能是由于2PACz引起的更高净偶极矩和改善的WF均匀性。这两种效应都有助于VOC和填充因子的改善。

此外，高电阻TCO可能有助于定位由于长程薄膜异质性（如针孔）引起的可能的电流短路路径。通过光致发光（PL）成像，研究人员发现了纳米级尺度的钙钛矿亚单元中的异质性，即使在表现最佳的串联电池中也无法用肉眼观察到。减小TCO厚度从20纳米到5纳米导致了表面电阻率增加两个数量级。

通过使用Quokka3软件的三维电气模型，研究人员发现，在存在小的短路斑点的情况下，将TCO片电阻从102 ohm/sq增加到106 ohm/sq，串联电池的效率可以提高高达2%（绝对值）。

图2 串联电池的填充因子分析

通过变薄的前后 IZO 电极提高电流密度

在前端和后端IZO电极的减薄方面进行了优化，以减少光吸收和电阻损失，从而提高光伏电池的电流密度。通过优化IZO电极的厚度和结构，可以减少光吸收和电阻损失，从而提高光伏电池的性能。钙钛矿/硅串联电池中的电流密度通过变薄的前后IZO电极得到改善。前端TCO的优化涉及计算不同IZO厚度的品质因数（FoM）。结果表明，前IZO电极的最佳厚度为40 nm.这种优化以及新的前接触网格设计使平均电流密度(Jsc)为20.5 mA cm-2，绝对提高了0.5 mA cm-2。

对于后IZO电极，厚度从120 nm减少到5 nm。发现较厚的IZO层导致电流损失为1.92 mA cm-2。此外，设计了由银指网格、200 nm 厚的 MgF2 层和溅射银膜组成的电极结构，以改善内部背反射，而不会影响电荷流。这种修改减少了寄生吸收并最大限度地提高了背反射率。结果，串联电池的电流输出分别为20.82和20.86 mA cm-2。

图3 提高钙钛矿/硅串联太阳能电池的电流密度

钙钛矿/硅串联太阳能电池的性能和稳定性

研究人员通过使用超薄的非晶氧化铟锌（IZO）作为串联太阳能电池的互连透明导电氧化物（TCO），解决了钙钛矿/硅串联太阳能电池中的性能和稳定性问题。相比常用的晶体TCO，IZO具有更高的表面电位均匀性和更高的SAM锚定位点密度。结合通过同样薄的IZO后电极和改进的前接触堆叠实现的光学增强，该研究获得了经过独立认证的32.5%的能量转换效率（PCE），这在钙钛矿/硅串联太阳能电池中属于最高水平之一。此外，这种超薄透明接触方法将铟的消耗量减少了约80%，对可持续光伏制造具有重要意义。

此外，研究人员还评估了不同TCO互连层的钙钛矿/硅串联电池的操作稳定性。研究结果表明，使用IZO作为TCO的串联电池在370小时后的PCE保留率最高，IZrO和ITO的保留率较低。此外，使用IZO的串联电池在870小时后仍保留了90%的初始PCE，这是基于TCO/SAM互连结构的最稳定设备之一。研究结果表明，通过实施IZO层实现的表面电位均匀化可能是观察到的长期稳定性的原因之一。

图4 钙钛矿/硅串联电池特性

总结展望

沙特阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf研究团队通过使用超薄非晶态铟锌氧化物（IZO）作为连接透明导电氧化物（TCO）来解决在纹理硅底层电池上实现能量均匀的自组装单分子层（SAM）覆盖的挑战。他们还通过薄的IZO后电极和改进的前接触堆栈进行光学增强。该方法使得认证的转换效率（PCE）达到32.5％，是报道的钙钛矿/硅串联电池中最高的之一。此外，超薄透明电极的使用减少了约80％的铟消耗，有助于可持续的光伏制造。

参考文献：

Erkan Aydin*, Esma Ugur*, Bumin K. Yildirim, Thomas G. Allen, Pia Dally, Arsalan Razzaq, Fangfang Cao, Lujia Xu, Badri Vishal, Aren Yazmaciyan, Ahmed A. Said, Shynggys Zhumagali, Randi Azmi, Maxime Babics, Andreas Fell, Chuanxiao Xiao, Stefaan De Wolf*. Enhanced optoelectronic coupling for perovskite-silicon tandem solar cells, Nature. (2023).

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06667-4