钙钛矿/硅叠层电池效率达30.74%，梯度折射率IZrO/IZO多层透明电极的应用突破

钙钛矿/硅叠层太阳能电池因其理论效率超40%而成为光伏领域的研究热点。然而，透明电极的光学损失（如反射与寄生吸收）严重限制了短路电流密度JSC的提升。传统单层透明导电氧化物（TCO）如IZO（锌掺杂氧化铟）和IZrO（锆掺杂氧化铟）存在晶化度低、载流子迁移率不足等问题。本研究通过设计IZrO/IZO多层薄膜，结合梯度折射率抗反射策略，并借助美能钙钛矿膜厚测试仪对薄膜沉积过程进行实时厚度监控，优化电极性能，最终推动叠层电池效率突破30%。

IZrO/IZO多层薄膜的厚度优化

全绒面P-I-N型钙钛矿/硅叠层电池结构示意图

研究团队采用射频磁控溅射技术，在玻璃基底上交替沉积IZrO和IZO层，总厚度为80 nm。关键工艺参数如下：

• IZO层：溅射压力1.5 mTorr，功率密度2.2 W/cm²，氧分压3%；
• IZrO层：溅射压力0.9 mTorr，功率密度3.1 W/cm²，氧分压0.06%。

通过调节厚度比例（如IZrO:IZO = 45:35 nm），优化薄膜的结晶性与光电性能。XRD分析显示，多层薄膜呈现（222）和（400）双取向结构，晶粒尺寸达50–70 nm，显著减少晶界散射。

钙钛矿/硅叠层电池的制备流程

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底电池处理：在纹理化硅异质结（SHJ）底电池上沉积20 nm ITO作为隧道结； 空穴传输层：溅射30 nm NiOx并引入2PACz自组装单分子层（SAM）； 钙钛矿吸收层：溶液法沉积钙钛矿薄膜； 电子传输层：蒸镀15 nm GeO并原子层沉积（ALD）20 nm SnO₂； 透明电极集成：溅射IZrO/IZO多层薄膜（45/35 nm）作为顶部电极； 金属电极：热蒸发Ag栅线，活性面积校准为1.05 cm²。

单层薄膜的性能缺陷

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(b) IZO和IZrO单层薄膜的光学透射率对比；(c)单层IZO透明电极的叠层电池的J-V曲线；(d) 单层IZrO透明电极的叠层电池的J-V曲线；(e) 分别采用单层IZO和IZrO透明电极的冠军电池EQE光谱

• 光学性能：

IZO在可见光区（400–800 nm）平均透射率为80.05%，近红外区（800–1200 nm）透射率略低；IZrO在可见光区透射率达81.25%，但近红外透射率不足。

• 电学瓶颈：

IZO因非晶结构导致载流子迁移率低，方块电阻为60.5 Ω·sq⁻¹； IZrO载流子浓度低（n = 4.81 u×1020cm-3），方块电阻达71.5 Ω·sq⁻¹。

• 电池表现：

单层电极电池的开路电压(VOC< 1900 mV）和填充因子（FF < 79.4%）受限，PCE未超过29.5%。

多层薄膜性能优化

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• IZrO/IZO多层薄膜的结晶特性与光电性能表征

(a) 载流子迁移率、方块电阻及载流子浓度；(b) 方块电阻；(c) XRD图谱；(d) IZrO单层薄膜的截面SEM图像；(e) IZrO/IZO多层薄膜的截面SEM图像；(f) IZrO/IZO多层薄膜的光学透射率对比

优化后的多层薄膜（45/35 nm）表现如下： 电学性能：载流子迁移率，方块电阻Rsq= 56.7 Ω·sq⁻¹，优于单层薄膜； 结晶性提升：双取向结构减少晶界散射，晶粒尺寸增大至50–70 nm。

• 梯度折射率对反射率与寄生吸收的影响

(a) IZO薄膜、IZrO单层薄膜及SnO₂缓冲层的折射率与消光系数；(b) IZrO/IZO多层透明电极的叠层电池入射光路径图；(c) 光学反射率对比；(d) 光学透射率对比；(e) 光学吸收系数对比；(f) IZO、IZrO单层薄膜与IZrO/IZO多层薄膜的品质因数对比

梯度折射率设计：IZrO（n ≈ 1.9）、IZO（n ≈ 1.8）与SnO₂缓冲层（n ≈ 1.6）形成连续折射率梯度，反射率较单层薄膜降低3.11%； 透光率优势：全波段平均透射率达81.68%，寄生吸收系数降低10–15%。

• 不同厚度比例对薄膜性能影响显著

IZrO:IZO = 30:50 nm：薄膜表面粗糙度增加（RMS > 5 nm），导致透射率下降至78.3%；IZrO:IZO = 50:30 nm：近红外区透射率不足（800–1200 nm平均透射率76.2%）；最优比例45:35 nm：全波段平均透射率达81.68%，表面粗糙度降至3.2 nm（AFM测试），且晶粒尺寸均匀（50–70 nm）。

叠层电池性能提升

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冠军电池的光伏性能(a) J-V曲线显示效率30.74%；(b) EQE光谱显示顶底电池电流匹配

采用IZrO/IZO多层电极的叠层电池关键指标：

• JSC：19.86 mA/cm²（EQE积分电流匹配度>99%）；
• VOC：1916 mV（低电阻减少电压损失）；
• FF：80.75%（能级匹配降低非辐射复合）；
• PCE：30.74%（当前室温溅射TCO电极最高效率之一）。

本研究通过IZrO/IZO多层薄膜设计，结合晶格优化与梯度折射率策略，显著提升了透明电极的光电性能。叠层电池效率突破30%，验证了该电极的产业化潜力。

美能钙钛矿膜厚测试仪

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美能钙钛矿膜厚测试仪利用光学干涉原理，通过分析薄膜表面反射光和薄膜与基底界面反射光相干涉形成的光谱，快速、连续监测工业产线上各式薄膜的厚度以及光学常数，快速准确测量薄膜厚度、光学常数等信息。

• 膜厚测试范围：20nm~2000nm
• 膜厚测试精度：±1nm
• 膜厚重复性测量精度：＜1%（100次连续测试）

美能钙钛矿膜厚测试仪保障了本研究中多层薄膜的精确制备，IZrO/IZO多层透明电极凭借高迁移率、低反射与宽谱透光特性，为钙钛矿/硅叠层电池的效率提升提供了创新解决方案，有望成为下一代高效光伏电池的核心组件。

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

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