鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池具有高效率和低成本的潛力，但表面勢能不均勻是制約其高性能的一個挑戰。過去的研究主要集中在改善表面勢能不均勻的問題，如通過改進自組裝單分子層（SAM）的覆蓋率和表面性質來提高鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的性能。但調節鈣鈦礦子電池空穴選擇性側的表面電勢相對較少受到關注，特別是在使用主流硅光伏制造中普遍存在的紋理底部電池時。
能量損失問題
在以前的研究中，不均勻的表面電位的問題在于它可能導致串聯太陽能電池的能量損失。鈣鈦礦亞電池的空穴選擇性側的表面電位（自組裝單層（SAM）被錨定）在激活接觸的空穴選擇性方面起著至關重要的作用。然而，納米級表面化學計量和底層透明導電氧化物（TCO）的粗糙度會影響SAM可用錨定位點的密度，導致表面電位的變化。這些變化可能導致電荷提取和電分流效率低下，最終影響串聯太陽能電池的整體性能。
近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學Stefaan De Wolf研究團隊通過使用超薄的非晶態氧化銦鋅（IZO）作為互連透明導電氧化物（TCO），解決了鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池中表面勢能不均勻的問題，并通過光學增強和改進的前接觸結構，實現了獨立認證的32.5%的光電轉換效率，為鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的高性能提供了新的途徑。
技術優勢：
1.用薄型互連透明導電氧化物（TCO）層：
通過采用超薄透明電極的方法，減少了約80%的銦消耗。通過優化前接觸堆疊和等效薄IZO后電極，實現了獨立認證的32.5%的能量轉換效率，這在鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池中屬于最高水平。
2.增強的電場和能帶彎曲：
通過能帶調控工程，實現了有效的子電池之間的電荷傳輸，提高了光伏效率。通過界面能級調控，解決了前接觸和后接觸之間的能量損失問題，提高了電池的開路電壓和填充因子。
3.使用自組裝單層（SAM）的表面鈍化：
作者研究了SAM用于鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池表面鈍化的應用。SAM有助于減少表面復合并提高整體器件性能。通過改進接觸設計，提高了電池的穩定性和性能。
研究內容
使互連結點處的電勢分布均勻化
研究表明，理想的互連結點應該提供均勻的表面電位，并最小化由長程鈣鈦礦非均勻性（如針孔）引起的電子通道的影響，并最大化各個子電池中的光耦合。先前的研究嘗試通過改善自組裝單分子膜（SAM）在氧化物表面的吸附來均勻化SAM高溫脫附層（HTL）的電位分布。然而，這些方法未能實現表面電位的均勻化。因此，本研究通過在互連透明導電氧化物（TCO）上直接增加SAM的覆蓋率來解決這個問題。研究人員研究了摻雜錫、鋅和鋯的退火銦氧化物（ITO、IZO和IZrO）以及應用小分子SAM（如2-(9H-咔唑-9-基)乙基膦酸）在TCO上的最大化包裝密度。通過后退火，所有TCO的片電阻和載流子濃度得到了優化。研究結果顯示，不同的互連TCO存在表面電位均勻性的空間變化，這是由于多晶性材料（如ITO、IZrO）的不均勻性引起的。
圖1 互連結的均勻表面電勢
通過超薄 IZO 互連層提高填充因子
研究人員通過將紋理鈣鈦礦/硅串聯電池中的TCO互連層厚度從20納米減小到2納米，系統地評估了其對器件性能的影響。他們發現，減薄互連層可以提高串聯電池的性能。然而，薄于2納米的TCO會導致較低的開路電壓和填充因子，可能是由于微米級金字塔上的薄膜不連續性引起的；5納米是器件性能的最佳厚度。此外，在研究的5納米厚互連TCO中，IZO在開路電壓和填充因子方面優于ITO和IZrO。這些結果與2PACz的覆蓋因子和通過UPS獲得的ΔWF值的趨勢一致。通過KPFM表面電位映射進一步確認了IZO的ΔWF更高。研究人員還通過橫截面高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）和能量色散X射線光譜（EDS）的元素映射驗證了IZO層在紋理表面上的均勻性。通過使用薄互連TCO制備的串聯電池顯示出統計上改善的填充因子。這種改善可能是由于增強的電場導致接觸界面內鈣鈦礦中的帶彎曲，從而抑制載流子復合并提高空穴收集效率所致。值得注意的是，與20納米對應物相比，5納米的IZO層產生了更高的電場，可能是由于2PACz引起的更高凈偶極矩和改善的WF均勻性。這兩種效應都有助于VOC和填充因子的改善。此外，高電阻TCO可能有助于定位由于長程薄膜異質性（如針孔）引起的可能的電流短路路徑。通過光致發光（PL）成像，研究人員發現了納米級尺度的鈣鈦礦亞單元中的異質性，即使在表現最佳的串聯電池中也無法用肉眼觀察到。減小TCO厚度從20納米到5納米導致了表面電阻率增加兩個數量級。通過使用Quokka3軟件的三維電氣模型，研究人員發現，在存在小的短路斑點的情況下，將TCO片電阻從102 ohm/sq增加到106 ohm/sq，串聯電池的效率可以提高高達2%（絕對值）。
圖2 串聯電池的填充因子分析
通過變薄的前后 IZO 電極提高電流密度
在前端和后端IZO電極的減薄方面進行了優化，以減少光吸收和電阻損失，從而提高光伏電池的電流密度。通過優化IZO電極的厚度和結構，可以減少光吸收和電阻損失，從而提高光伏電池的性能。鈣鈦礦/硅串聯電池中的電流密度通過變薄的前后IZO電極得到改善。前端TCO的優化涉及計算不同IZO厚度的品質因數（FoM）。結果表明，前IZO電極的最佳厚度為40 nm.這種優化以及新的前接觸網格設計使平均電流密度(Jsc)為20.5 mA cm-2，絕對提高了0.5 mA cm-2。
對于后IZO電極，厚度從120 nm減少到5 nm。發現較厚的IZO層導致電流損失為1.92 mA cm-2。此外，設計了由銀指網格、200 nm 厚的 MgF2 層和濺射銀膜組成的電極結構，以改善內部背反射，而不會影響電荷流。這種修改減少了寄生吸收并最大限度地提高了背反射率。結果，串聯電池的電流輸出分別為20.82和20.86 mA cm-2。
圖3 提高鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池的電流密度
鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池的性能和穩定性
研究人員通過使用超薄的非晶氧化銦鋅（IZO）作為串聯太陽能電池的互連透明導電氧化物（TCO），解決了鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池中的性能和穩定性問題。相比常用的晶體TCO，IZO具有更高的表面電位均勻性和更高的SAM錨定位點密度。結合通過同樣薄的IZO后電極和改進的前接觸堆疊實現的光學增強，該研究獲得了經過獨立認證的32.5%的能量轉換效率（PCE），這在鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池中屬于最高水平之一。此外，這種超薄透明接觸方法將銦的消耗量減少了約80%，對可持續光伏制造具有重要意義。
此外，研究人員還評估了不同TCO互連層的鈣鈦礦/硅串聯電池的操作穩定性。研究結果表明，使用IZO作為TCO的串聯電池在370小時后的PCE保留率最高，IZrO和ITO的保留率較低。此外，使用IZO的串聯電池在870小時后仍保留了90%的初始PCE，這是基于TCO/SAM互連結構的最穩定設備之一。研究結果表明，通過實施IZO層實現的表面電位均勻化可能是觀察到的長期穩定性的原因之一。
圖4 鈣鈦礦/硅串聯電池特性
總結展望
沙特阿卜杜拉國王科技大學Stefaan De Wolf研究團隊通過使用超薄非晶態銦鋅氧化物（IZO）作為連接透明導電氧化物（TCO）來解決在紋理硅底層電池上實現能量均勻的自組裝單分子層（SAM）覆蓋的挑戰。他們還通過薄的IZO后電極和改進的前接觸堆棧進行光學增強。該方法使得認證的轉換效率（PCE）達到32.5％，是報道的鈣鈦礦/硅串聯電池中最高的之一。此外，超薄透明電極的使用減少了約80％的銦消耗，有助于可持續的光伏制造。
參考文獻：
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
