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无铟钙钛矿/硅叠层太阳电池:RPD-SnOₓ复合层与电极实现33.6%认证效率
日期:2026-06-29浏览量:10
铟基透明导电氧化物(ITO/IZO)是钙钛矿/硅叠层电池的标配材料,但铟资源稀缺、磁控溅射损伤下层功能层,制约规模化。本文提出用反应等离子体沉积氧化锡(RPD-SnOₓ)全面替代铟基TCO,实现完全无铟的高效叠层电池。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源,可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围,进行长期的稳定性能测试。
以RPD-SnOₓ为复合层的叠层器件认证效率33.6%,同时充当复合层和电极的全无铟器件(1 cm²)效率33.2%,放大至迷你组件(207.9 cm²)认证效率31.0%。RPD-SnOₓ的致密均匀特性促进SAM双齿锚定,有效抑制非辐射复合和卤化物迁移。无铟组件在高温、湿热和户外条件下均表现优异,户外105天后仍保持峰值效率的65%。
叠层电池性能
(A)单片式钙钛矿/c-Si叠层太阳电池结构示意图(B)无铟叠层器件的HAADF-STEM图像及EDX元素面扫分布图(C)对照、SnOₓ-RL和无铟叠层器件在AM1.5G光照下的J-V曲线(D)SnOₓ-RL叠层器件(1.002 cm²)的认证J-V曲线(E)SnOₓ-RL叠层器件的EQE曲线(F)对照、SnOₓ-RL和无铟叠层器件的PCE箱线图(G)未封装叠层电池在N₂气氛、连续1个太阳光照下的MPP跟踪
在双面亚微米绒面SHJ底电池上制备了三类器件:SnOₓ-RL叠层(RPD-SnOₓ复合层)、无铟叠层(RPD-SnOₓ同时做复合层和电极),以及IZO/ITO/ITO对照器件。HAADF-STEM和EDX证实SnOₓ复合层(~15 nm)均匀包覆亚微米绒面,前电极(50 nm)与ALD-SnOₓ缓冲层(15 nm)结合紧密。
冠军SnOₓ-RL器件效率33.9%,无铟器件33.2%,对照器件32.7%。经MPP追踪和独立认证确认。20个器件统计平均效率分别为33.3%、32.7%和32.2%。Voc的提升源于RPD-SnOₓ沉积对底电池损伤更小、SAM双齿锚定密度更高。FF收益来自SnOₓ/nc-SiOₓ:H(n)更有利的能带对齐。无铟器件的FF略低,原因是前SnOₓ电极透光率不如IZO、背SnOₓ/nc-Si:H(p)接触电阻率较高。
MPP稳定性追踪:室温N₂、连续1个太阳光照,对照器件3000小时后衰减至初始的约50%,SnOₓ-RL器件保持70.8%,无铟器件保持81.1%。
RPD-SnOₓ复合层
(A)MeO-4PACz吸附在SnOₓ和ITO上的DFT计算,以及MeO-4PACz与SnOₓ(ITO)之间的电荷转移(B)Sn–O和In–O键的COHP曲线(C)ITO和SnOₓ在有无MeO-4PACz锚定情况下的UPS谱.以(D)ITO和(E)RPD-SnOₓ为复合层的叠层器件的模拟能带图
复合层通过SAM桥接钙钛矿与硅底电池,需兼具高导电性和高透光率。通过降低RPD氧气流量比设计了高载流子浓度(1.18×10²¹ cm⁻³)的SnOₓ复合层,霍尔测量虽迁移率仅1.4 cm²/Vs,但隐含Voc高于溅射ITO底电池。厚度优化显示15 nm获得最高效率,体现光电性能与器件整体的协同平衡。
SAM锚定机制
DFT计算表明MeO-4PACz在SnOₓ表面形成双齿配位,吸附能−6.779 eV,远高于ITO上的−2.323 eV(单齿结合)。COHP分析中O–Sn键ICOHP值约−2.7至−3.2 eV,确认强的轨道相互作用。XPS显示SnOₓ/SAM界面的O–P/Sn–O比(0.78)高于ITO/SAM的O–P/In–O比(0.69),反映SAM覆盖密度更高,裸露SnOₓ表面更多–OH位点是根源。
KPFM和UPS分析印证了这一点:SAM锚定后SnOₓ功函数从4.68 eV提至5.23 eV(位移0.55 eV),大于ITO的0.41 eV,代表更高界面偶极密度和更均匀的SAM覆盖。SCAPS-1D模拟显示SnOₓ/nc-SiOₓ:H(n)界面能垒低于ITO对应界面,电子传输更有利。
钙钛矿膜层表征
(A)在ITO/MeO-4PACz和SnOₓ/MeO-4PACz上生长的钙钛矿的稳态PL光谱(B)瞬态PL光谱 (C)相应拟合微分寿命(D)在MeO-4PACz修饰的ITO和SnOₓ复合层上生长的钙钛矿的PLQY(E)QFLS(F)相应Voc随光强的变化.新鲜和老化(G)对照及(H)无铟叠层器件中I⁻的TOF-SIMS深度分布图
沉积在SnOₓ/MeO-4PACz上的钙钛矿稳态PL强度更高,瞬态寿命超过5 μs(ITO上仅为3 μs),证实质能有效抑制埋底界面非辐射复合。PLQY从0.116%提至0.223%,QFLS从1.238 eV增至1.255 eV。理想因子从1.53降至1.45,说明SRH复合受抑。伪J-V分析中pFF与FF差异仅4.09%(对照4.89%),串联电阻损失更小。
TOF-SIMS对比新鲜和1000小时老化器件:对照器件碘离子大量穿透IZO前电极积聚在MgFₓ层,无铟器件碘分布基本不变。非晶SnOₓ层消除了含铟TCO中晶界和非晶-晶体界面的离子迁移快通道,有效阻断碘离子向外迁移,保护Ag电极。
工业级尺寸无铟叠层器件的性能
(A)无铟叠层迷你组件(指定面积207.9 cm²)的认证J-V曲线 (B)EQE曲线(C)未封装无铟、SnOₓ-RL和对照叠层器件在N₂气氛中的储存稳定性(D)封装后的对照和无铟迷你组件在85°C、连续1个太阳光照下的MPP跟踪。(E)对照和无铟迷你组件在85°C/85% RH条件下的湿热测试(F)无铟和对照叠层迷你组件的105天户外性能测试
在21×10.5 cm²工业级尺寸上狭缝涂布制备无铟迷你组件(有效面积207.9 cm²),认证效率31.0%,稳定功率6.39 W。Jsc降至18.9 mA/cm²,主要原因是封装玻璃和TPO反射损失增加,以及互联条和银栅线遮光。Voc降至1.94 V,但FF升至84.3%,电流失配带来的高FF和优化的栅线设计部分补偿了损失。
ISOS-D-1储存测试(3168小时)无铟器件保持99.0%效率;ISOS-L-3(85°C、光照、1000小时)保持93.9%;ISOS-D-3湿热(85°C/85% RH、1056小时)仅衰减4.8%。户外105天,无铟组件保持峰值效率65%,对照器件约75天即崩至5%。
本文证明了一条可行的规模化路线:以RPD-SnOₓ全面替代铟基TCO实现了高效稳定的叠层电池,小面积认证效率33.6%,大面积迷你组件31.0%。核心机制在于RPD-SnOₓ促进SAM双齿锚定、抑制非辐射复合和卤化物迁移。本工作将高性能与铟依赖解耦,确立了RPD-SnOₓ作为可规模化叠层光伏的通用电极和复合层材料。
钙钛矿复合式MPPT测试仪
联系电话:400-0086-690
美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源,以其先进的技术和多功能设计,为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。
Ø 3A+光源,光源寿命10000h+,真实还原各场景实际光照条件
Ø 可选配恒温恒湿箱,满足IS0S标准
Ø 多型号电子负载可选,多通道独立运行
Ø 不同波段光谱输出可调:350-400 nm/400-750 nm/750-1150 nm均独立可控
美能钙钛矿复合式MPPT测试仪主要应用于成品钙钛矿单结,叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响,其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点,能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量,还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。
原文参考:Indium-free perovskite/silicon tandem solar cells with tin oxide recombination layer and electrodes
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