华侨大学谢立强副教授&魏展画教授、金石能源张津燕博士 AM：采用接触电阻可调的氧化铟锡中间层实现高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳能电池
【文章信息】
采用接触电阻可调的氧化铟锡中间层实现高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳能电池
第一作者：靳永斌、酆辉平、方正
通讯作者：谢立强*，张津燕*，魏展画*
单位：华侨大学，金石能源（福建）有限公司
【研究背景】
叠层太阳能电池由于其可能突破单结太阳能电池的肖克利-奎伊瑟理论转换效率极限而受到广泛关注。 钙钛矿/硅叠层太阳能电池是一种新兴技术，它将钙钛矿优异的光电性能与工业主流硅基太阳能电池的性能相结合。 因此，近年来，钙钛矿/硅叠层太阳能电池的快速进步，其转换效率令人印象深刻。 然而，钙钛矿/电子传输层(ETL)/透明导电氧化物(TCO)界面的不完善电荷行为限制了钙钛矿/硅叠层太阳能电池的性能提升。诸如氧化铟锡（ITO）和氧化铟锌（IZO）等TCO通常采用溅射法制备。
由于高能溅射粒子的缘故，直接在富勒烯（C60）ETL上沉积TCO可能会对ETL和钙钛矿层造成严重的溅射损伤。因此，需要一层保护层来保证高界面质量。此外，由于能级不匹配、载流子复合和ETL/TCO界面的高接触电阻导致的电荷行为不完善，会导致光生载流子的显著能量损失。因此，为了最小化界面能量损失并避免溅射损伤，在ETL/TCO界面处构建一个具有能级匹配和可调接触电阻的半导体中间层至关重要。
【文章简介】
近日，来自华侨大学谢立强副教授、魏展画教授团队与金石能源张津燕博士团队合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Efficient and Stable Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells Enabled by ContactResistance-Tunable Indium Tin Oxide Interlayer”的观点文章。该观点文章通过电子束蒸镀（EBE）组分可调的氧化铟锡中间层，有效调节了与透明导电电极（TCO）间的接触电阻，优化了界面接触，最终在1 cm2的钙钛矿/硅两端叠层太阳能电池上实现了30.3%的认证转换效率。这种新型界面层在钙钛矿/硅叠层太阳能电池以及其他以钙钛矿作为顶层的叠层电池中具有巨大的潜力，也标志着钙钛矿/硅串联太阳能电池向实际商业应用迈出了一大步。
图1. 通过电子束蒸发制备Sn掺杂In2O3薄膜并对其进行表征。
图2. 不同Sn含量In2O3与IZO之间的能级排列。
图3. 相应半透明钙钛矿太阳能电池方面的性能表征。
图4. 相应钙钛矿/硅叠层太阳能电池的性能及光照运行稳定性。
【本文要点】
要点一：氧化铟锡中间层与透明电极IZO之间的接触电阻调控
接触电阻是与载流子在界面的传输密切相关，为了测量沉积后的掺锡氧化铟薄膜与IZO之间的接触电阻，采用转移长度法（TLM），这是一种在硅基太阳能电池中常用的技术，用于测量金属电极与相邻半导体层之间的接触电阻。值得注意的是，当Sn掺杂含量低于8%时，随着Sn掺杂含量的增加，接触电阻逐渐减小。然而，当Sn掺杂含量为12%时，由于过掺杂，接触电阻显著增加。因此当Sn的掺杂含量达到8%时，与IZO的接触电阻最小，界面接触有效提高。
要点二：氧化铟锡中间层与透明电极IZO之间的能带结构关系
掺杂Sn含量的增加导致相应中间层的导带最低点(CBM)和费米能级(EF)持续下降，这可归因于掺杂后氧化程度的增强。值得注意的是，当Sn含量达到8%时，相应中间层的能带结构与IZO具有最佳的兼容性，从而导致能量损失最小。相反，当Sn含量为12%时，CBM和EF均低于IZO，从而阻碍了电子传输。同时通过原子探针显微镜（AFM）与开尔文探针显微镜（KPFM）表征得出，当Sn掺杂量为0%时，中间层的电势高于IZO。随着Sn含量的增加，中间层的电势逐渐降低。当Sn掺杂量达到8%时，中间层和IZO具有相同的电势，显示了均匀的分布模式。当Sn掺杂量达到12%时，中间层的电势低于IZO。这些观察结果与之前讨论的能带结构相一致，即掺入8% Sn的In2O3能实现与IZO的最佳能级对齐。
要点三：氧化铟锡中间层与相应钙钛矿半透明器件及钙钛矿/硅两端叠层太阳能电池的性能关系
半透明钙钛矿太阳能电池的性能表明，起初增加Sn掺杂含量会提高转换效率，但随后会逐渐下降。其中， 8% Sn掺杂的In2O3能显著提高相应半透明器件的开路电压和填充因子，从而将转换效率提高至20.7%。这种提高归因于8% Sn掺杂的In2O3本身优异的电学性能以及它与IZO之间良好的接触性能，从而降低了两者之间的能量损失。同样相应的钙钛矿/硅两端叠层太阳能电池的转换效率达到30.8%（第三方认证效率为30.3%），并且相应的封装器件在连续光照下运行1078个小时后仍然保持初始效率的98%。
【文章链接】
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
【通讯作者简介】
谢立强副教授简介：谢立强，福建省杰青。现为华侨大学材料科学与工程学院及发光材料与信息显示研究院副教授，硕士生导师。2017年毕业博士于厦门大学化学系，师从毛秉伟教授和田中群院士。目前的研究方向为钙钛矿太阳能电池和钙钛矿/硅叠层太阳能电池，已经以第一作者或通讯作者在Nature Communications(2), Journal of the American Chemical Society(2), Advanced Materials(3), Advanced Energy Materials(2)等重要期刊发表研究论文30余篇。
张津燕博士简介：张津燕，日本金泽大学材料科学专业博士，现任金石能源研发部总经理。半导体设备和太阳能工艺专家，全球高性能硅基太阳电池及低成本高效太阳电池的开拓者之一。领导金石能源先进工艺的整合，致力于异质结1.5代产品的研发。在半导体、光伏领域从事工业化技术研发、工艺开发及系统整合工作近30年。在国际顶级学术刊物发表专业学术论文66篇。获得发明专利15项。
魏展画教授简介：魏展画，华侨大学发光材料与信息显示研究院、材料科学与工程学院教授，博士生导师，发光材料与信息显示研究院院长，兼任材料科学与工程学院副院长。2011年7月毕业于厦门大学化学系，取得学士学位；2015年8月毕业于香港科技大学化学系，取得博士学位；2015年9月至2016年4月间在新加坡南洋理工大学物理与数学科学学院(SPMS)从事博士后研究。
2016年5月加入华侨大学材料科学与工程学院，2019年12月创建发光材料与信息显示研究院，课题组的主要研究方向是能源光电材料与器件，特别是钙钛矿LED和太阳能电池，已在Nature、Nature Photonics、Journal of the American Chemical Society和Advanced Materials等高水平期刊上发表研究论文100余篇。主持国家重点研发计划课题、区域联合重点项目等，获得如2022年度福建省自然科学一等奖，2021年度中国化学会青年化学奖等奖励，入选国家青年人才奖励计划，获评国务院特殊津贴专家。
【课题组介绍】
2019年12月，华侨大学发光材料与信息显示研究院成立。目前研究院依托材料科学与工程学院，设有材料科学与工程、化学两个一级学科博士点，一个厦门市光电材料及其先进制造重点实验室，拥有完备的科研和办公硬件条件，人才队伍结构合理，年轻而富有活力。目前研究院的院长是国家高层次青年人才魏展画教授，有专任教师10名，博士后研究人员2名，行政人员3名，硕博研究生40余名（含外校联培）。
研究院的主要研究方向有：（1）发光材料及器件；（2）太阳能电池材料及器件；（3）光伏功能材料的设计与制备；（4）柔性光电子材料与器件；（5）其他光电材料与器件；（6）光物理与器件物理。
2025年研究院有多名硕士招生名额，欢迎有志之士报考！