鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)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(wèn)題。本研究通過(guò)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(cè)試儀對(duì)薄膜沉積過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)厚度監(jiān)控，優(yōu)化電極性能，最終推動(dòng)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(guò)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(duì)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(jiàn)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(jiàn)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(kāi)路電壓(VOC< 1900 mV）和填充因子（FF < 79.4%）受限，PCE未超過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)比；(d) 光學(xué)透射率對(duì)比；(e) 光學(xué)吸收系數(shù)對(duì)比；(f) IZO、IZrO單層薄膜與IZrO/IZO多層薄膜的品質(zhì)因數(shù)對(duì)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(shì)：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(duì)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(cè)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(jí)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(guò)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(cè)試儀

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美能鈣鈦礦膜厚測(cè)試儀利用光學(xué)干涉原理，通過(guò)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(cè)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(cè)量薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)等信息。

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

美能鈣鈦礦膜厚測(cè)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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