低成本、高性能的ITO/ZnO/ITO多层结构用于硅异质结太阳能电池

《Optical Materials》：Low-Cost and High-Performance ITO/ZnO/ITO Multilayer Structure for Silicon Heterojunction Solar Cells

透明导电氧化物（TCO）多层结构在硅异质结（SHJ）太阳能电池中的应用研究。通过模拟和实验发现，ITO/ZnO/ITO三明治结构在转换效率（PCE）上较单层ITO和ZnO分别提升6%和11%，同时减少ITO用量14%。该结构通过优化光吸收、降低反射并改善载流子传输，为低成本高效SHJ电池提供了新方案。

　　

埃姆雷·卡尔塔尔（Emre KARTAL）| 艾莎·塞汉（Ay?e SEYHAN）| 弗尔坎·古克卢尔（Furkan Gü?lüer）

尼德德奥梅尔·哈利斯德米尔大学（Nigde Omer Halisdemir University）物理系，尼德德51240，土耳其

摘要

透明导电氧化物（TCO）对于硅异质结（SHJ）太阳能电池中的有效光传输和电荷收集至关重要。虽然氧化铟锡（ITO）仍然是标准选择，但其高昂的成本和材料稀缺性促使人们寻找替代或互补材料。氧化锌（ZnO）因其宽禁带和化学稳定性而成为有前景的候选材料。在本研究中，提出了一种ITO/ZnO/ITO多层结构，作为传统单层TCO配置在SHJ太阳能电池中的经济高效替代方案。通过OPAL-2光学模拟和磁控溅射实验制备，这种三层结构显示出增强的光吸收、降低的表面反射率以及改善的电荷传输性能。重要的是，该结构的功率转换效率（PCE）达到了18.5%，相比仅使用ITO或仅使用ZnO的配置分别提高了6%和11%，同时将ITO的使用量减少了约14%。这些结果凸显了ITO/ZnO/ITO多层结构在优化器件性能和降低材料成本方面的潜力，为更可持续的SHJ太阳能电池技术提供了实际途径。

引言

透明导电氧化物（TCO）层对于硅异质结（SHJ）太阳能电池的性能至关重要[1]。作为前接触层，它需要收集光产生的载流子，并且必须同时具备高透明度以最大化光吸收和高导电性以最小化载流子复合[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。此外，TCO层对于太阳能电池的稳定性和可靠性也非常重要，因为它必须能够承受高温、湿度和机械应力，同时防止水分侵入[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。TCO材料在可见光谱范围内透明且具有高导电性，应用于各种电子设备中，如平板显示器、触摸屏和光伏电池[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。 SHJ太阳能电池中最常用的TCO材料是氧化铟锡（ITO）和氧化锌（ZnO）[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。这两种材料在可见光谱中的光学透明度均超过80%，并且折射率较高，适合用作光学涂层[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。ITO的高导电性和低电阻率使其成为薄膜电子产品的理想材料，尤其是柔性设备，因为它能抵抗机械应力[30]、[31]。然而，与其他TCO材料相比，ITO的成本相对较高，这是在像SHJ太阳能电池这样的成本敏感应用中的一个显著缺点。减少ITO的厚度可以降低成本，但研究工作主要集中在开发成本更低的替代TCO材料以完全取代ITO[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。由于ZnO是一种具有宽禁带和高电子迁移率的半导体，它可以作为ITO的替代品[38]、[39]。从物理和化学性质来看，ZnO比ITO更稳定、反应性更低。它耐腐蚀，熔点高，适用于高温环境。此外，ZnO的机械强度和热稳定性也优于ITO，更能抵抗机械应力和高温造成的损坏。ZnO还对水和湿气具有更高的抵抗力，使其在恶劣环境中更加耐用[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]。 为了解决与铟相关的挑战，文献中探索了多种多层TCO堆栈。对于诸如氧化物/金属/氧化物或双层TCO（ITO/Au/ITO[46]、ITO/掺镓ZnO[47]、ATO/AgNWs/ATO[48]、BMZO/Ag/BMZO[49]、ZTO/Ag/ZTO[50]）等配置的研究，通常旨在提高层状导电性或调节特定的光学性能。即使在特定于SHJ器件的应用中，研究重点也主要集中在它们作为经济高效的替代品，以实现与标准单层ITO电极相当的性能[51]。 因此，超越简单材料替换、积极改进器件功能的架构潜力仍然很大程度上未被开发。特别是对称的ITO/ZnO/ITO三层结构这一概念，提出了一种独特的方法。通过引入半导体中间层（ZnO）代替传统金属，这种结构被认为可以提供双重好处：既作为敏感下层材料的保护缓冲层，同时调整电子界面以增强关键电参数。这种多功能设计为推进TCO技术提供了一个有吸引力且未被充分探索的途径。 在本研究中，我们探讨了新型分层ITO/ZnO/ITO TCO结构在改善SHJ太阳能电池性能方面的潜力。利用OPAL-2模拟和射频（RF）及直流（DC）磁控溅射实验验证，我们分析了这种分层配置与传统的单层ITO和ZnO结构在光学、结构和电气性能上的差异。ITO/ZnO/ITO设计表现出优异的性能，功率转换效率（PCE）达到了18.5%，同时将ITO的使用量减少了14%。这种TCO配置不仅旨在优化PCE，还旨在降低材料成本，为光伏技术提供了一种更可持续和高效的解决方案。

薄膜沉积

在实验的初始阶段，将ITO、ZnO和ITO/ZnO/ITO薄膜沉积在2.5 x 2.5厘米2的1毫米厚玻璃基底上。使用直流（DC）和射频（RF）磁控溅射技术进行沉积，以便进行结构、光学、电气和形态分析。使用的商业靶材纯度分别为99.999%（5N）的ITO（In?O?/SnO? 90/10 wt%）和99.9%（3N）的ZnO。采用了两种不同的物理气相沉积（PVD）系统：直流磁控溅射（Meyer Burger AK1000 Inline）

SHJ太阳能电池的模拟

使用OPAL-2模拟工具对ITO、ZnO、ITO/ZnO/ITO和ZnO/ITO/ZnO层在SHJ太阳能电池中的性能进行了光学模拟[54]。OPAL-2能够详细评估c-Si电池的光学透射率、反射率和吸收率，为层优化提供可靠的计算依据。它还支持对c-Si太阳能电池进行随机金字塔纹理的建模，并有助于确定TCO层的最佳厚度[55]。在此模拟中，采用了垂直随机金字塔结构

结论

在本研究中，我们通过模拟和实验测试研究了ITO、ZnO以及分层ITO/ZnO/ITO TCO在硅异质结（SHJ）太阳能电池中的性能。利用OPAL-2模拟，我们确定了每种TCO配置的最佳厚度并分析了其光学性能。这些模拟为最大化光吸收和最小化反射提供了基准，随后通过直流和射频磁控溅射实验进行了验证

CRediT作者贡献声明

艾莎·塞汉（Ay?e SEYHAN）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、方法论、数据管理、概念化。 弗尔坎·古克卢尔（Furkan Gü?lüer）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、方法论、数据管理、概念化。 埃姆雷·卡尔塔尔（EMRE KARTAL）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、软件、方法论、数据管理、概念化

未引用的参考文献

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利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）的支持，项目编号为20AG002和20AG014。