▲第一作者：Cao Yu、Qiaojiao Zou

通讯作者：Xiaodan Zhang、Gangqiang Dong

通讯单位：南开大学、苏州迈为科技有限公司

论文doi：

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01331-7

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背景介绍

硅异质结(SHJ)太阳能电池是未来光伏产业最有前景的方向之一。稀有铟的有限供应和银浆的高成本是SHJ太阳能电池将要面临的最重要的问题之一。

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本文亮点

1.为了克服铟基透明电极应用于高效SHJ太阳能电池的障碍，本工作在室温下通过溅射法成功制备了廉价且可大规模生产的非掺杂氧化锡(SnOx)电极材料。

2.利用其天然的氧空位缺陷，所制备材料的载流子迁移率和电阻率分别达到22?cm2?V-1?s-1和2.38×10-3?Ω?cm。未掺杂SnOx透明电极的SHJ太阳能电池的光电转换效率为24.91%。此外，SnOx薄膜具有优异的化学稳定性，能够承受电镀过程中酸碱溶液的腐蚀。

3.最后，制备了镀铜电极和双面铟基透明电极减半的SHJ太阳能电池，获得了25.94%(总面积274.4?cm2)的认证效率。

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图文解析

▲图1. 未掺杂SnOx薄膜的材料特性及其在SHJ太阳能电池中的应用

要点：

1、通过调整沉积工艺，本工作获得了质量较好的未掺杂SnOx薄膜。其中，光电性能最好的薄膜在600?nm(图1a、b)下的电阻率为2.38×10-3?Ωcm，迁移率为22?cm2?V-1?s-1，载流子浓度为1.02×1020?cm-3，低吸收系数为2.14×105?cm-1。

2、图1c的X射线衍射(XRD)表征表明，SnOx薄膜没有特征峰，呈非晶态，导致原子力显微镜(AFM) (图1c)观察到的表面粗糙度较低。通过X射线光电子能谱(XPS)测试进一步确认薄膜的化学组成。

3、图1d给出了Sn 3d和O 1s的典型芯能级光谱。Sn 3d谱中存在两个自旋-轨道双峰，分别归属于Sn4+和Sn2+，其中Sn4+位于486.9?eV(Sn4+ 3d5/2)和495.3?eV (Sn4+ 3d3/2)，Sn2+位于486.2?eV(Sn2+ 3d5/2)和494.6?eV(Sn2+ 3d3/2)。

4、SnOx薄膜的光致发光(PL)发射光谱如图1e所示。发射光谱可以通过高斯拟合分解为5个峰，中心位于366，399，448，500和528?nm。由于SnOx薄膜的禁带宽度约为3.7~3.9?eV，这些发射峰主要是由薄膜中的各种缺陷引起的。

▲图2. IMO:H+SnOx双层薄膜的材料特性及其在SHJ太阳能电池中的应用

要点：

1、因此，为了进一步提高效率，本工作设计了IMO：H+SnOx双层薄膜来提高薄膜的导电性。对于玻璃衬底上的IMO：H+SnOx双层薄膜，IMO：H和SnOx层的厚度比为1：1，同时保持总的双层厚度为100?nm。双层薄膜具有良好的光学性能，在600?nm处的吸收系数为1.94×105?cm-1。

2、从图2a的XRD结果可以看出，双层薄膜的结晶取向与IMO：H相同，没有发现SnOx的特征峰。因此，双层薄膜结合了非晶态SnOx薄膜和多晶IMO：H薄膜。然而，由于IMO：H薄膜厚度减半，双层薄膜的结晶峰强度更弱。此外，双层薄膜的表面粗糙度小于多晶IMO：H薄膜，这是因为双层薄膜的上半部分是表面光滑的非晶态SnOx薄膜。

3、结果表明，经过湿热和热退火处理后，SnOx和IMO：H + SnOx双层薄膜的参数变化不大。与已经广泛应用于工业化的IMO：H相比，SnOx和IMO：H+SnOx双层薄膜的稳定性并不差。

▲图3. 化学稳定性和低成本的高效SHJ太阳能电池

要点：

1、为了进一步降低成本，采用电镀工艺，用铜代替银制备太阳能电池的金属电极。由于电镀过程需要电镀和剥离过程，因此SHJ太阳能电池会受到强酸镀液和强碱剥离液的影响。

2、经过测试发现，腐蚀前后SHJ太阳能电池的各项性能参数基本保持不变(图3a)。此外，IMO：H+SnOx与金属电极的接触性能与IMO：H与金属电极的接触性能几乎相同。在此基础上，采用电镀工艺，将银电极替换为铜电极，制备了高效的SHJ太阳能电池(图3b)。

3、随后，采用MgF2+SnOx+IMO：H+n-μc-SiOx：H前接触层和p-μc-Si：H+IMO：H+SnOx后接触层的SHJ太阳能电池获得了25.94%的(Voc=747.5?mV,Jsc=40.49?mA cm-2,FF=85.71%)效率(图3c)。这一结果在以往基于无铟TEs或电镀铜电极的SHJ太阳能电池的研究中处于前列。

4、这项工作证明了铜电极非晶态非掺杂SnOx热电材料作为银电极铟基热电材料替代品的可行性，为解决银浆成本高和稀有铟供应有限的问题提供了有效的解决方案。本工作认为，这种可以在室温下加工的非晶态非掺杂SnOx热电材料不仅适用于硅太阳能电池，也适用于钙钛矿和相应的串联器件。此外，SnOx衍生材料有望在光电催化二氧化碳还原和光解水制氢等领域具有诱人的作用。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-023-01331-7

转自：“研之成理”微信公众号

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