華僑大學謝立強副教授&魏展畫教授、金石能源張津燕博士 AM：采用接觸電阻可調的氧化铟錫中間層實作高效穩定的鈣钛礦/矽兩端疊層太陽能電池
【文章資訊】
采用接觸電阻可調的氧化铟錫中間層實作高效穩定的鈣钛礦/矽兩端疊層太陽能電池
第一作者：靳永斌、酆輝平、方正
通訊作者：謝立強*，張津燕*，魏展畫*
機關：華僑大學，金石能源（福建）有限公司
【研究背景】
疊層太陽能電池由于其可能突破單結太陽能電池的肖克利-奎伊瑟理論轉換效率極限而受到廣泛關注。 鈣钛礦/矽疊層太陽能電池是一種新興技術，它将鈣钛礦優異的光電性能與工業主流矽基太陽能電池的性能相結合。 是以，近年來，鈣钛礦/矽疊層太陽能電池的快速進步，其轉換效率令人印象深刻。 然而，鈣钛礦/電子傳輸層(ETL)/透明導電氧化物(TCO)界面的不完善電荷行為限制了鈣钛礦/矽疊層太陽能電池的性能提升。諸如氧化铟錫（ITO）和氧化铟鋅（IZO）等TCO通常采用濺射法制備。
由于高能濺射粒子的緣故，直接在富勒烯（C60）ETL上沉積TCO可能會對ETL和鈣钛礦層造成嚴重的濺射損傷。是以，需要一層保護層來保證高界面品質。此外，由于能級不比對、載流子複合和ETL/TCO界面的高接觸電阻導緻的電荷行為不完善，會導緻光生載流子的顯著能量損失。是以，為了最小化界面能量損失并避免濺射損傷，在ETL/TCO界面處建構一個具有能級比對和可調接觸電阻的半導體中間層至關重要。
【文章簡介】
近日，來自華僑大學謝立強副教授、魏展畫教授團隊與金石能源張津燕博士團隊合作，在國際知名期刊Advanced Materials上發表題為“Efficient and Stable Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells Enabled by ContactResistance-Tunable Indium Tin Oxide Interlayer”的觀點文章。該觀點文章通過電子束蒸鍍（EBE）組分可調的氧化铟錫中間層，有效調節了與透明導電電極（TCO）間的接觸電阻，優化了界面接觸，最終在1 cm2的鈣钛礦/矽兩端疊層太陽能電池上實作了30.3%的認證轉換效率。這種新型界面層在鈣钛礦/矽疊層太陽能電池以及其他以鈣钛礦作為頂層的疊層電池中具有巨大的潛力，也标志着鈣钛礦/矽串聯太陽能電池向實際商業應用邁出了一大步。
圖1. 通過電子束蒸發制備Sn摻雜In2O3薄膜并對其進行表征。
圖2. 不同Sn含量In2O3與IZO之間的能級排列。
圖3. 相應半透明鈣钛礦太陽能電池方面的性能表征。
圖4. 相應鈣钛礦/矽疊層太陽能電池的性能及光照運作穩定性。
【本文要點】
要點一：氧化铟錫中間層與透明電極IZO之間的接觸電阻調控
接觸電阻是與載流子在界面的傳輸密切相關，為了測量沉積後的摻錫氧化铟薄膜與IZO之間的接觸電阻，采用轉移長度法（TLM），這是一種在矽基太陽能電池中常用的技術，用于測量金屬電極與相鄰半導體層之間的接觸電阻。值得注意的是，當Sn摻雜含量低于8%時，随着Sn摻雜含量的增加，接觸電阻逐漸減小。然而，當Sn摻雜含量為12%時，由于過摻雜，接觸電阻顯著增加。是以當Sn的摻雜含量達到8%時，與IZO的接觸電阻最小，界面接觸有效提高。
要點二：氧化铟錫中間層與透明電極IZO之間的能帶結構關系
摻雜Sn含量的增加導緻相應中間層的導帶最低點(CBM)和費米能級(EF)持續下降，這可歸因于摻雜後氧化程度的增強。值得注意的是，當Sn含量達到8%時，相應中間層的能帶結構與IZO具有最佳的相容性，進而導緻能量損失最小。相反，當Sn含量為12%時，CBM和EF均低于IZO，進而阻礙了電子傳輸。同時通過原子探針顯微鏡（AFM）與開爾文探針顯微鏡（KPFM）表征得出，當Sn摻雜量為0%時，中間層的電勢高于IZO。随着Sn含量的增加，中間層的電勢逐漸降低。當Sn摻雜量達到8%時，中間層和IZO具有相同的電勢，顯示了均勻的分布模式。當Sn摻雜量達到12%時，中間層的電勢低于IZO。這些觀察結果與之前讨論的能帶結構相一緻，即摻入8% Sn的In2O3能實作與IZO的最佳能級對齊。
要點三：氧化铟錫中間層與相應鈣钛礦半透明器件及鈣钛礦/矽兩端疊層太陽能電池的性能關系
半透明鈣钛礦太陽能電池的性能表明，起初增加Sn摻雜含量會提高轉換效率，但随後會逐漸下降。其中， 8% Sn摻雜的In2O3能顯著提高相應半透明器件的開路電壓和填充因子，進而将轉換效率提高至20.7%。這種提高歸因于8% Sn摻雜的In2O3本身優異的電學性能以及它與IZO之間良好的接觸性能，進而降低了兩者之間的能量損失。同樣相應的鈣钛礦/矽兩端疊層太陽能電池的轉換效率達到30.8%（第三方認證效率為30.3%），并且相應的封裝器件在連續光照下運作1078個小時後仍然保持初始效率的98%。
【文章連結】
Efficient and Stable Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells Enabled by Contact-Resistance-Tunable Indium Tin Oxide Interlayer
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202404010
【通訊作者簡介】
謝立強副教授簡介：謝立強，福建省傑青。現為華僑大學材料科學與工程學院及發光材料與資訊顯示研究院副教授，碩士生導師。2017年畢業博士于廈門大學化學系，師從毛秉偉教授和田中群院士。目前的研究方向為鈣钛礦太陽能電池和鈣钛礦/矽疊層太陽能電池，已經以第一作者或通訊作者在Nature Communications(2), Journal of the American Chemical Society(2), Advanced Materials(3), Advanced Energy Materials(2)等重要期刊發表研究論文30餘篇。
張津燕博士簡介：張津燕，日本金澤大學材料科學專業博士，現任金石能源研發部總經理。半導體裝置和太陽能工藝專家，全球高性能矽基太陽電池及低成本高效太陽電池的開拓者之一。上司金石能源先進工藝的整合，緻力于異質結1.5代産品的研發。在半導體、光伏領域從事工業化技術研發、工藝開發及系統整合工作近30年。在國際頂級學術刊物發表專業學術論文66篇。獲得發明專利15項。
魏展畫教授簡介：魏展畫，華僑大學發光材料與資訊顯示研究院、材料科學與工程學院教授，博士生導師，發光材料與資訊顯示研究院院長，兼任材料科學與工程學院副院長。2011年7月畢業于廈門大學化學系，取得學士學位；2015年8月畢業于香港科技大學化學系，取得博士學位；2015年9月至2016年4月間在新加坡南洋理工大學實體與數學科學學院(SPMS)從事博士後研究。
2016年5月加入華僑大學材料科學與工程學院，2019年12月建立發光材料與資訊顯示研究院，課題組的主要研究方向是能源光電材料與器件，特别是鈣钛礦LED和太陽能電池，已在Nature、Nature Photonics、Journal of the American Chemical Society和Advanced Materials等高水準期刊上發表研究論文100餘篇。主持國家重點研發計劃課題、區域聯合重點項目等，獲得如2022年度福建省自然科學一等獎，2021年度中國化學會青年化學獎等獎勵，入選國家青年人才獎勵計劃，獲評國務院特殊津貼專家。
【課題組介紹】
2019年12月，華僑大學發光材料與資訊顯示研究院成立。目前研究院依托材料科學與工程學院，設有材料科學與工程、化學兩個一級學科博士點，一個廈門市光電材料及其先進制造重點實驗室，擁有完備的科研和辦公硬體條件，人才隊伍結構合理，年輕而富有活力。目前研究院的院長是國家高層次青年人才魏展畫教授，有專任教師10名，博士後研究人員2名，行政人員3名，碩博研究所學生40餘名（含外校聯培）。
研究院的主要研究方向有：（1）發光材料及器件；（2）太陽能電池材料及器件；（3）光伏功能材料的設計與制備；（4）柔性光電子材料與器件；（5）其他光電材料與器件；（6）光實體與器件實體。
2025年研究院有多名碩士招生名額，歡迎有志之士報考！