鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池因其理論效率超40%而成為光伏領域的研究熱點。然而，透明電極的光學損失（如反射與寄生吸收）嚴重限制了短路電流密度JSC的提升。傳統單層透明導電氧化物（TCO）如IZO（鋅摻雜氧化銦）和IZrO（鋯摻雜氧化銦）存在晶化度低、載流子遷移率不足等問題。本研究通過設計IZrO/IZO多層薄膜，結合梯度折射率抗反射策略，并借助美能鈣鈦礦膜厚測試儀對薄膜沉積過程進行實時厚度監控，優化電極性能，最終推動疊層電池效率突破30%。

IZrO/IZO多層薄膜的厚度優化

全絨面P-I-N型鈣鈦礦/硅疊層電池結構示意圖

研究團隊采用射頻磁控濺射技術，在玻璃基底上交替沉積IZrO和IZO層，總厚度為80 nm。關鍵工藝參數如下：

• IZO層：濺射壓力1.5 mTorr，功率密度2.2 W/cm2，氧分壓3%；
• IZrO層：濺射壓力0.9 mTorr，功率密度3.1 W/cm2，氧分壓0.06%。

通過調節厚度比例（如IZrO:IZO = 45:35 nm），優化薄膜的結晶性與光電性能。XRD分析顯示，多層薄膜呈現（222）和（400）雙取向結構，晶粒尺寸達50–70 nm，顯著減少晶界散射。

鈣鈦礦/硅疊層電池的制備流程

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底電池處理：在紋理化硅異質結（SHJ）底電池上沉積20 nm ITO作為隧道結； 空穴傳輸層：濺射30 nm NiOx并引入2PACz自組裝單分子層（SAM）； 鈣鈦礦吸收層：溶液法沉積鈣鈦礦薄膜； 電子傳輸層：蒸鍍15 nm GeO并原子層沉積（ALD）20 nm SnO?； 透明電極集成：濺射IZrO/IZO多層薄膜（45/35 nm）作為頂部電極； 金屬電極：熱蒸發Ag柵線，活性面積校準為1.05 cm2。

單層薄膜的性能缺陷

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(b) IZO和IZrO單層薄膜的光學透射率對比；(c)單層IZO透明電極的疊層電池的J-V曲線；(d) 單層IZrO透明電極的疊層電池的J-V曲線；(e) 分別采用單層IZO和IZrO透明電極的冠軍電池EQE光譜

• 光學性能：

IZO在可見光區（400–800 nm）平均透射率為80.05%，近紅外區（800–1200 nm）透射率略低；IZrO在可見光區透射率達81.25%，但近紅外透射率不足。

• 電學瓶頸：

IZO因非晶結構導致載流子遷移率低，方塊電阻為60.5 Ω·sq?1； IZrO載流子濃度低（n = 4.81 u×1020cm-3），方塊電阻達71.5 Ω·sq?1。

• 電池表現：

單層電極電池的開路電壓(VOC< 1900 mV）和填充因子（FF < 79.4%）受限，PCE未超過29.5%。

多層薄膜性能優化

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• IZrO/IZO多層薄膜的結晶特性與光電性能表征

(a) 載流子遷移率、方塊電阻及載流子濃度；(b) 方塊電阻；(c) XRD圖譜；(d) IZrO單層薄膜的截面SEM圖像；(e) IZrO/IZO多層薄膜的截面SEM圖像；(f) IZrO/IZO多層薄膜的光學透射率對比

優化后的多層薄膜（45/35 nm）表現如下： 電學性能：載流子遷移率，方塊電阻Rsq= 56.7 Ω·sq?1，優于單層薄膜； 結晶性提升：雙取向結構減少晶界散射，晶粒尺寸增大至50–70 nm。

• 梯度折射率對反射率與寄生吸收的影響

(a) IZO薄膜、IZrO單層薄膜及SnO?緩沖層的折射率與消光系數；(b) IZrO/IZO多層透明電極的疊層電池入射光路徑圖；(c) 光學反射率對比；(d) 光學透射率對比；(e) 光學吸收系數對比；(f) IZO、IZrO單層薄膜與IZrO/IZO多層薄膜的品質因數對比

梯度折射率設計：IZrO（n ≈ 1.9）、IZO（n ≈ 1.8）與SnO?緩沖層（n ≈ 1.6）形成連續折射率梯度，反射率較單層薄膜降低3.11%； 透光率優勢：全波段平均透射率達81.68%，寄生吸收系數降低10–15%。

• 不同厚度比例對薄膜性能影響顯著

IZrO:IZO = 30:50 nm：薄膜表面粗糙度增加（RMS > 5 nm），導致透射率下降至78.3%；IZrO:IZO = 50:30 nm：近紅外區透射率不足（800–1200 nm平均透射率76.2%）；最優比例45:35 nm：全波段平均透射率達81.68%，表面粗糙度降至3.2 nm（AFM測試），且晶粒尺寸均勻（50–70 nm）。

疊層電池性能提升

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冠軍電池的光伏性能(a) J-V曲線顯示效率30.74%；(b) EQE光譜顯示頂底電池電流匹配

采用IZrO/IZO多層電極的疊層電池關鍵指標：

• JSC：19.86 mA/cm2（EQE積分電流匹配度>99%）；
• VOC：1916 mV（低電阻減少電壓損失）；
• FF：80.75%（能級匹配降低非輻射復合）；
• PCE：30.74%（當前室溫濺射TCO電極最高效率之一）。

本研究通過IZrO/IZO多層薄膜設計，結合晶格優化與梯度折射率策略，顯著提升了透明電極的光電性能。疊層電池效率突破30%，驗證了該電極的產業化潛力。

美能鈣鈦礦膜厚測試儀

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美能鈣鈦礦膜厚測試儀利用光學干涉原理，通過分析薄膜表面反射光和薄膜與基底界面反射光相干涉形成的光譜，快速、連續監測工業產線上各式薄膜的厚度以及光學常數，快速準確測量薄膜厚度、光學常數等信息。

• 膜厚測試范圍：20nm~2000nm
• 膜厚測試精度：±1nm
• 膜厚重復性測量精度：＜1%（100次連續測試）

美能鈣鈦礦膜厚測試儀保障了本研究中多層薄膜的精確制備，IZrO/IZO多層透明電極憑借高遷移率、低反射與寬譜透光特性，為鈣鈦礦/硅疊層電池的效率提升提供了創新解決方案，有望成為下一代高效光伏電池的核心組件。

原文出處：IZrO/IZO multilayer thin film as transparent electrode in perovskite/silicon tandem solar cell

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