鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池是突破單結(jié)電池效率極限的重要方向，但目前高效器件多依賴硅異質(zhì)結(jié)底電池與含銦透明導(dǎo)電氧化物（如ITO）作為復(fù)合層。然而，銦的稀缺性限制了其大規(guī)模應(yīng)用，且產(chǎn)業(yè)界更傾向于采用已占主導(dǎo)地位的TOPCon技術(shù)。為此，急需開發(fā)適用于TOPCon底電池、可工業(yè)化沉積的無銦復(fù)合層材料。美能QE量子效率測試儀可用于精確測量太陽電池的EQE與光譜響應(yīng)，幫助優(yōu)化界面工程和背接觸設(shè)計，從而提升電池的量子效率和整體性能。

本研究對比了摻鋁氧化鋅（AZO）和摻鋅氧化錫（ZTO）與ITO的性能，發(fā)現(xiàn)濺射沉積雖會對TOPCon造成損傷，但可通過退火修復(fù)。系統(tǒng)分析表明，ZTO在材料特性、空穴傳輸層兼容性及鈣鈦礦單結(jié)電池性能上均與ITO相當(dāng)，而AZO則導(dǎo)致嚴(yán)重效率損失。最終在疊層電池中證實，采用ZTO復(fù)合層可實現(xiàn)與ITO相近的效率，且ZTO可采用直流濺射旋轉(zhuǎn)靶材工藝，具備工業(yè)化可行性，為無銦復(fù)合層在TOPCon基全織構(gòu)疊層電池中的應(yīng)用提供了有效解決方案。

實驗方法簡述

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n‐TOPCon歐姆襯底：采用磷摻雜、織構(gòu)化的4英寸硅片，經(jīng)熱氧化生長隧穿氧化層，PECVD沉積摻磷a‐Si，900°C退火形成TOPCon，隨后通過PECVD沉積SiNx進行氫化。TCO通過直流濺射沉積，厚度30 nm（正面）和200 nm（背面），之后進行300°C退火，背面蒸鍍Ag，激光切割成2.5×2.5 cm2。

TOPCon2底電池：采用硼摻雜、正面織構(gòu)化、背面平面的4英寸硅片，分別制備n‐TOPCon正面和p‐TOPCon背面，退火和氫化后，沉積TCO（ITO或ZTO），退火，背面蒸鍍Ag。

鈣鈦礦電池制備：TCO/TOPCon襯底經(jīng)UV‐臭氧處理，旋涂Me‐4PACz作為空穴傳輸層，熱共蒸發(fā)PbI?和CsI形成無機骨架，旋涂有機組分（FABr/FAI）并退火，部分樣品采用PDAI鈍化。隨后熱蒸發(fā)C??作為電子傳輸層，ALD沉積SnOx，直流濺射ITO前電極，熱蒸發(fā)Ag柵線和MgF?減反射層。

表征方法：XRD、霍爾效應(yīng)、接觸角、AFM、KPFM、EQE、JV測試（LED太陽模擬器）、Suns‐VOC測試。

TCO在TOPCon上的濺射沉積

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(a)歐姆型n?TOPCon樣品結(jié)構(gòu)(b) 三種TCO在氫化后、濺射后以及固化退火后的iVOC 值(c)所有TCO在固化退火前后與n?TOPCon的接觸電阻率

本研究采用歐姆型n‐TOPCon襯底，其具有織構(gòu)化隨機金字塔表面，兩側(cè)均制備有n‐TOPCon并經(jīng)過氫化處理。TCO通過直流濺射沉積在兩側(cè)，其中ZTO和ITO使用旋轉(zhuǎn)靶材，AZO使用平面靶材。工藝經(jīng)過優(yōu)化，以最小化對TOPCon鈍化質(zhì)量的損傷，同時保持低接觸電阻率。

通過光致發(fā)光測量計算的空間平均隱含開路電壓（iVOC）用于評估濺射損傷。初始氫化后的iVOC約為740 mV。濺射ZTO和ITO后，iVOC降至約710 mV，而AZO濺射造成的損傷最大，iVOC低于690 mV。經(jīng)過300°C、5分鐘的熱板退火處理后，所有三種TCO的鈍化質(zhì)量均得到顯著恢復(fù)，iVOC回升至720–730 mV。該退火過程通過修復(fù)硅界面處的懸掛鍵實現(xiàn)再鈍化。

接觸電阻率測量顯示，AZO的接觸電阻率最低（10–50 mΩ·cm2），退火后基本不變；ITO約為100 mΩ·cm2，退火后升至約300 mΩ·cm2；ZTO約為250 mΩ·cm2，退火后升至約430 mΩ·cm2。所有樣品的接觸電阻率均遠低于影響疊層電池填充因子的閾值（約1 Ω·cm2），因此適合用于后續(xù)鈣鈦礦電池研究。

TCO材料特性及其對空穴傳輸層沉積的影響

(a)對沉積態(tài)和退火態(tài)TCO進行XRD測量以評估其結(jié)晶度(b)霍爾效應(yīng)范德堡法測量得到的方阻Rsheet、遷移率μ和載流子濃度N

不同TCO的表面粗糙度差異顯著：ZTO和ITO為無定形結(jié)構(gòu)，表面較平坦；AZO結(jié)晶度較高，表面較粗糙。XRD測量表明，ZTO在退火前后均保持無定形狀態(tài)；AZO在沉積態(tài)即顯示出ZnO的(002)衍射峰，退火后無明顯變化；ITO在沉積態(tài)為無定形，退火后出現(xiàn)對應(yīng)于In?O?立方方鐵錳礦結(jié)構(gòu)(222)面的結(jié)晶峰。

霍爾效應(yīng)測試結(jié)果顯示，ITO具有最佳的橫向?qū)щ娦?/strong>，方阻低于1 kΩ，退火前后變化不大。ZTO的方阻較高（沉積態(tài)約4 kΩ），退火后因載流子濃度增加而降低。AZO在沉積態(tài)時方阻約為1 kΩ，但退火后載流子濃度和遷移率均顯著下降，方阻升至約40 kΩ。

(a)沉積態(tài)和退火態(tài)TCO層以及經(jīng)過UV?臭氧處理和HTL沉積后的接觸角測量結(jié)果(b)平面硅襯底上退火態(tài)TCO在有/無 HTL情況下的功函數(shù)平均值

接觸角測試表明，各TCO在退火前后的疏水性無顯著差異，接觸角約為60°。經(jīng)15分鐘UV‐臭氧處理后，所有TCO表面變得更親水，其中ZTO表面甚至完全鋪展。沉積Me‐4PACz空穴傳輸層后，所有樣品的接觸角均升至約80°，表明自組裝單分子層覆蓋均勻且取向良好。開爾文探針力顯微鏡測量顯示，沉積空穴傳輸層后，各TCO的功函數(shù)均顯著提升，最終值介于5.19 eV（ZTO）至5.28 eV（AZO）之間，有利于形成良好的能帶對齊。

鈣鈦礦單結(jié)太陽能電池

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在織構(gòu)化歐姆型n?TOPCon襯底上制備的鈣鈦礦單結(jié)太陽能電池樣品結(jié)構(gòu)示意圖

為研究不同TCO對鈣鈦礦形成和電池性能的影響，在織構(gòu)化的歐姆型n‐TOPCon襯底上制備了鈣鈦礦單結(jié)電池。結(jié)果顯示，采用AZO的電池雖然具有較高的iVOC和VOC，但由于短路電流密度和填充因子極低，效率很差。JV曲線在短路電流密度附近出現(xiàn)陡降，通常與分流有關(guān)，但偽JV曲線和高偽填充因子表明實際分流電阻很高，因此問題可能源于接觸層載流子遷移率較低。

(a) jSC、(b) iVOC、(c) VOC、(d) FF和pFF、(e)效率。每組測量四個電池，分別進行正向和反向JV掃描

相比之下，采用ITO和ZTO的電池均表現(xiàn)出良好性能。ZTO襯底上的電池VOC最高，且與iVOC接近，表明選擇性損失小。填充因子方面，ITO略優(yōu)于ZTO，這與霍爾測試中ZTO遷移率較低導(dǎo)致導(dǎo)電性較差的觀察一致。退火處理對ITO和ZTO襯底上電池性能的影響不明顯，但ZTO在沉積態(tài)時可使VOC提高20 mV，而退火后該增益消失?？傮w而言，ZTO與ITO在單結(jié)電池中表現(xiàn)相當(dāng)，而AZO不適用于該結(jié)構(gòu)。

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池

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(a)疊層電池結(jié)構(gòu)示意圖：TOPCon底電池正面和背面TCO分別為ITO或ZTO，頂部為全織構(gòu)鈣鈦礦電池(b) JSC、(c) VOC、(d) FF、(e) PCE

基于上述結(jié)果，選擇ZTO作為有潛力的無銦復(fù)合層材料，在TOPCon底電池上制備了完整的疊層電池。底電池采用p型FZ硅片，正面為110 nm n‐TOPCon，背面為50 nm p‐TOPCon，TCO層正面厚度30 nm，背面厚度150 nm。分別制備了正面和背面均為ITO或ZTO的兩種電池，背面蒸鍍1 μm銀，頂部鈣鈦礦電池采用含PDAI鈍化層的混合工藝。

JV測試結(jié)果表明，采用ZTO和ITO復(fù)合層的疊層電池性能相近，包括短路電流密度、開路電壓和填充因子均無明顯差異。雖然本批次電池性能略低于前述單結(jié)電池，這歸因于簡化的器件結(jié)構(gòu)和暗周邊區(qū)域鈍化質(zhì)量較差，但ZTO與ITO之間并無性能差距。

具有TOPCon2 底電池以及ITO或ZTO復(fù)合層的鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的EQE和反射率測量結(jié)果

外量子效率和反射率測量進一步證實了兩者的光學(xué)性能相當(dāng)。在300–1000 nm波長范圍內(nèi)，EQE曲線形狀和反射率非常接近。在1100 nm以上波長，ZTO電池的反射率略高，表明其寄生吸收更少或陷光效果更好，但這對疊層電池的整體光學(xué)性能影響不大。

本文系統(tǒng)研究了在織構(gòu)化n‐TOPCon上濺射沉積不同TCO對全織構(gòu)鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的影響。重點對比了無銦替代材料AZO和ZTO與含銦ITO的性能。單結(jié)電池測試表明，ITO和ZTO均能實現(xiàn)良好性能，而AZO導(dǎo)致嚴(yán)重的性能損失。濺射過程會對TOPCon鈍化造成損傷，但300°C退火可基本恢復(fù)。退火對TCO材料性能的影響各異：ZTO保持無定形，ITO發(fā)生部分結(jié)晶，AZO結(jié)晶度較高。霍爾測試顯示ZTO導(dǎo)電性和遷移率低于ITO，這可能解釋了單結(jié)電池中填充因子的微小差異。接觸角和功函數(shù)測量表明，各TCO上空穴傳輸層的性質(zhì)相似，但這些參數(shù)并不能完全預(yù)測電池性能。最終，在TOPCon底電池的疊層器件中，ZTO復(fù)合層實現(xiàn)了與ITO相近的效率。因此，ZTO是一種可行的無銦復(fù)合TCO材料，可采用直流濺射旋轉(zhuǎn)靶材工藝，適用于工業(yè)化生產(chǎn)，且無效率損失。

美能QE量子效率測試儀

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美能QE量子效率測試儀可以用來測量太陽能電池的光譜響應(yīng)，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應(yīng)偏低區(qū)域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測量范圍、測試的準(zhǔn)確性和可追溯性等優(yōu)勢。

兼容所有太陽能電池類型，滿足多種測試需求

光譜范圍可達300-2500nm，并提供特殊化定制

氙燈+鹵素?zé)?/span>雙光源結(jié)構(gòu)，保證光源穩(wěn)定性

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

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