无铟复合结在钙钛矿/硅叠层电池中的应用：AZO、ZTO与ITO在TOPCon钝化接触底电池上的性能对比

钙钛矿/硅叠层太阳能电池是突破单结电池效率极限的重要方向，但目前高效器件多依赖硅异质结底电池与含铟透明导电氧化物（如ITO）作为复合层。然而，铟的稀缺性限制了其大规模应用，且产业界更倾向于采用已占主导地位的TOPCon技术。为此，急需开发适用于TOPCon底电池、可工业化沉积的无铟复合层材料。美能QE量子效率测试仪可用于精确测量太阳电池的EQE与光谱响应，帮助优化界面工程和背接触设计，从而提升电池的量子效率和整体性能。

本研究对比了掺铝氧化锌（AZO）和掺锌氧化锡（ZTO）与ITO的性能，发现溅射沉积虽会对TOPCon造成损伤，但可通过退火修复。系统分析表明，ZTO在材料特性、空穴传输层兼容性及钙钛矿单结电池性能上均与ITO相当，而AZO则导致严重效率损失。最终在叠层电池中证实，采用ZTO复合层可实现与ITO相近的效率，且ZTO可采用直流溅射旋转靶材工艺，具备工业化可行性，为无铟复合层在TOPCon基全织构叠层电池中的应用提供了有效解决方案。

实验方法简述

Millennial Solar

n‐TOPCon欧姆衬底：采用磷掺杂、织构化的4英寸硅片，经热氧化生长隧穿氧化层，PECVD沉积掺磷a‐Si，900°C退火形成TOPCon，随后通过PECVD沉积SiNx进行氢化。TCO通过直流溅射沉积，厚度30 nm（正面）和200 nm（背面），之后进行300°C退火，背面蒸镀Ag，激光切割成2.5×2.5 cm²。

TOPCon²底电池：采用硼掺杂、正面织构化、背面平面的4英寸硅片，分别制备n‐TOPCon正面和p‐TOPCon背面，退火和氢化后，沉积TCO（ITO或ZTO），退火，背面蒸镀Ag。

钙钛矿电池制备：TCO/TOPCon衬底经UV‐臭氧处理，旋涂Me‐4PACz作为空穴传输层，热共蒸发PbI₂和CsI形成无机骨架，旋涂有机组分（FABr/FAI）并退火，部分样品采用PDAI钝化。随后热蒸发C₆₀作为电子传输层，ALD沉积SnOx，直流溅射ITO前电极，热蒸发Ag栅线和MgFₓ减反射层。

表征方法：XRD、霍尔效应、接触角、AFM、KPFM、EQE、JV测试（LED太阳模拟器）、Suns‐VOC测试。

TCO在TOPCon上的溅射沉积

Millennial Solar

(a)欧姆型n‑TOPCon样品结构(b) 三种TCO在氢化后、溅射后以及固化退火后的iVOC 值(c)所有TCO在固化退火前后与n‑TOPCon的接触电阻率

本研究采用欧姆型n‐TOPCon衬底，其具有织构化随机金字塔表面，两侧均制备有n‐TOPCon并经过氢化处理。TCO通过直流溅射沉积在两侧，其中ZTO和ITO使用旋转靶材，AZO使用平面靶材。工艺经过优化，以最小化对TOPCon钝化质量的损伤，同时保持低接触电阻率。

通过光致发光测量计算的空间平均隐含开路电压（iVOC）用于评估溅射损伤。初始氢化后的iVOC约为740 mV。溅射ZTO和ITO后，iVOC降至约710 mV，而AZO溅射造成的损伤最大，iVOC低于690 mV。经过300°C、5分钟的热板退火处理后，所有三种TCO的钝化质量均得到显著恢复，iVOC回升至720–730 mV。该退火过程通过修复硅界面处的悬挂键实现再钝化。

接触电阻率测量显示，AZO的接触电阻率最低（10–50 mΩ·cm²），退火后基本不变；ITO约为100 mΩ·cm²，退火后升至约300 mΩ·cm²；ZTO约为250 mΩ·cm²，退火后升至约430 mΩ·cm²。所有样品的接触电阻率均远低于影响叠层电池填充因子的阈值（约1 Ω·cm²），因此适合用于后续钙钛矿电池研究。

TCO材料特性及其对空穴传输层沉积的影响

(a)对沉积态和退火态TCO进行XRD测量以评估其结晶度(b)霍尔效应范德堡法测量得到的方阻Rsheet、迁移率μ和载流子浓度N

不同TCO的表面粗糙度差异显著：ZTO和ITO为无定形结构，表面较平坦；AZO结晶度较高，表面较粗糙。XRD测量表明，ZTO在退火前后均保持无定形状态；AZO在沉积态即显示出ZnO的(002)衍射峰，退火后无明显变化；ITO在沉积态为无定形，退火后出现对应于In₂O₃立方方铁锰矿结构(222)面的结晶峰。

霍尔效应测试结果显示，ITO具有最佳的横向导电性，方阻低于1 kΩ，退火前后变化不大。ZTO的方阻较高（沉积态约4 kΩ），退火后因载流子浓度增加而降低。AZO在沉积态时方阻约为1 kΩ，但退火后载流子浓度和迁移率均显著下降，方阻升至约40 kΩ。

(a)沉积态和退火态TCO层以及经过UV‑臭氧处理和HTL沉积后的接触角测量结果(b)平面硅衬底上退火态TCO在有/无 HTL情况下的功函数平均值

接触角测试表明，各TCO在退火前后的疏水性无显著差异，接触角约为60°。经15分钟UV‐臭氧处理后，所有TCO表面变得更亲水，其中ZTO表面甚至完全铺展。沉积Me‐4PACz空穴传输层后，所有样品的接触角均升至约80°，表明自组装单分子层覆盖均匀且取向良好。开尔文探针力显微镜测量显示，沉积空穴传输层后，各TCO的功函数均显著提升，最终值介于5.19 eV（ZTO）至5.28 eV（AZO）之间，有利于形成良好的能带对齐。

钙钛矿单结太阳能电池

Millennial Solar

在织构化欧姆型n‑TOPCon衬底上制备的钙钛矿单结太阳能电池样品结构示意图

为研究不同TCO对钙钛矿形成和电池性能的影响，在织构化的欧姆型n‐TOPCon衬底上制备了钙钛矿单结电池。结果显示，采用AZO的电池虽然具有较高的iVOC和VOC，但由于短路电流密度和填充因子极低，效率很差。JV曲线在短路电流密度附近出现陡降，通常与分流有关，但伪JV曲线和高伪填充因子表明实际分流电阻很高，因此问题可能源于接触层载流子迁移率较低。

(a) jSC、(b) iVOC、(c) VOC、(d) FF和pFF、(e)效率。每组测量四个电池，分别进行正向和反向JV扫描

相比之下，采用ITO和ZTO的电池均表现出良好性能。ZTO衬底上的电池VOC最高，且与iVOC接近，表明选择性损失小。填充因子方面，ITO略优于ZTO，这与霍尔测试中ZTO迁移率较低导致导电性较差的观察一致。退火处理对ITO和ZTO衬底上电池性能的影响不明显，但ZTO在沉积态时可使VOC提高20 mV，而退火后该增益消失。总体而言，ZTO与ITO在单结电池中表现相当，而AZO不适用于该结构。

钙钛矿/硅叠层太阳能电池

Millennial Solar

(a)叠层电池结构示意图：TOPCon底电池正面和背面TCO分别为ITO或ZTO，顶部为全织构钙钛矿电池(b) JSC、(c) VOC、(d) FF、(e) PCE

基于上述结果，选择ZTO作为有潜力的无铟复合层材料，在TOPCon底电池上制备了完整的叠层电池。底电池采用p型FZ硅片，正面为110 nm n‐TOPCon，背面为50 nm p‐TOPCon，TCO层正面厚度30 nm，背面厚度150 nm。分别制备了正面和背面均为ITO或ZTO的两种电池，背面蒸镀1 μm银，顶部钙钛矿电池采用含PDAI钝化层的混合工艺。

JV测试结果表明，采用ZTO和ITO复合层的叠层电池性能相近，包括短路电流密度、开路电压和填充因子均无明显差异。虽然本批次电池性能略低于前述单结电池，这归因于简化的器件结构和暗周边区域钝化质量较差，但ZTO与ITO之间并无性能差距。

具有TOPCon² 底电池以及ITO或ZTO复合层的钙钛矿/硅叠层太阳能电池的EQE和反射率测量结果

外量子效率和反射率测量进一步证实了两者的光学性能相当。在300–1000 nm波长范围内，EQE曲线形状和反射率非常接近。在1100 nm以上波长，ZTO电池的反射率略高，表明其寄生吸收更少或陷光效果更好，但这对叠层电池的整体光学性能影响不大。

本文系统研究了在织构化n‐TOPCon上溅射沉积不同TCO对全织构钙钛矿/硅叠层太阳能电池的影响。重点对比了无铟替代材料AZO和ZTO与含铟ITO的性能。单结电池测试表明，ITO和ZTO均能实现良好性能，而AZO导致严重的性能损失。溅射过程会对TOPCon钝化造成损伤，但300°C退火可基本恢复。退火对TCO材料性能的影响各异：ZTO保持无定形，ITO发生部分结晶，AZO结晶度较高。霍尔测试显示ZTO导电性和迁移率低于ITO，这可能解释了单结电池中填充因子的微小差异。接触角和功函数测量表明，各TCO上空穴传输层的性质相似，但这些参数并不能完全预测电池性能。最终，在TOPCon底电池的叠层器件中，ZTO复合层实现了与ITO相近的效率。因此，ZTO是一种可行的无铟复合TCO材料，可采用直流溅射旋转靶材工艺，适用于工业化生产，且无效率损失。

美能QE量子效率测试仪

Millennial Solar

美能QE量子效率测试仪可以用来测量太阳能电池的光谱响应，并通过其量子效率来诊断太阳能电池存在的光谱响应偏低区域问题。它具有普遍的兼容性、广阔的光谱测量范围、测试的准确性和可追溯性等优势。

兼容所有太阳能电池类型，满足多种测试需求

光谱范围可达300-2500nm，并提供特殊化定制

氙灯+卤素灯双光源结构，保证光源稳定性

原文参考：Indium-Free Recombination Junctions on Tunnel Oxide Passivating Contacts for Fully Textured Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells

*特别声明：「美能光伏」公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递光伏行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，若有侵权，请及时联系我司进行删除。