文章概述

本文針對(duì)鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池中關(guān)鍵連接層——透明導(dǎo)電氧化物的功函數(shù)匹配問題展開研究。頂部鈣鈦礦子電池需要高功函數(shù)的IWO層以優(yōu)化空穴提取，而底部硅異質(zhì)結(jié)子電池則需要低功函數(shù)的IWO層以促進(jìn)電子傳輸。為解決這一矛盾，該文章通過反應(yīng)等離子體沉積技術(shù)，調(diào)控氧氣與氬氣的流量比，成功制備出具有梯度功函數(shù)的雙層IWO中間層。該設(shè)計(jì)不僅改善了能帶對(duì)齊，減少了界面勢(shì)壘，其優(yōu)化的IWO表面還促進(jìn)了MeO-4PACz分子的有效錨定，從而提升了鈣鈦礦層的結(jié)晶質(zhì)量。最終，基于30%/40% O2/Ar流量比的雙層IWO中間層的疊層太陽能電池實(shí)現(xiàn)了31.91%的優(yōu)異光電轉(zhuǎn)換效率。

創(chuàng)新點(diǎn)分析

1提出了功函數(shù)梯度設(shè)計(jì)的理念。通過系統(tǒng)模擬明確了疊層電池頂?shù)鬃与姵貙?duì)中間層功函數(shù)截然相反的需求，并據(jù)此設(shè)計(jì)了具有空間漸變功函數(shù)的雙層IWO中間層，從根源上解決了界面能帶失配問題。

2實(shí)現(xiàn)了材料特性與界面工程的協(xié)同優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)調(diào)控O2/Ar流量比不僅能改變IWO的體相電學(xué)性能和功函數(shù)，還顯著影響其表面形貌和羥基密度，后者直接決定了后續(xù)空穴傳輸分子MeO-4PACz的覆蓋質(zhì)量，從而影響鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶。

3提供了從硅電池角度出發(fā)的可擴(kuò)展技術(shù)路線。該策略基于成熟的反應(yīng)等離子體沉積技術(shù)，通過簡(jiǎn)單調(diào)整工藝參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)高性能中間層的制備，為高效率疊層電池的規(guī)?；圃焯峁┝司哂形Φ募夹g(shù)方案。

Figure 1闡明了IWO中間層功函數(shù)對(duì)器件性能的影響機(jī)制。圖a展示了IWO與不同類型半導(dǎo)體接觸時(shí)的能帶彎曲原理，高功函數(shù)利于空穴提取，低功函數(shù)利于電子傳輸。圖b提出了兩種提升IWO功函數(shù)的策略。圖c是用于模擬的疊層電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖d和e的模擬結(jié)果分別清晰表明頂部子電池性能隨IWO功函數(shù)升高而提升，而底部子電池性能則隨功函數(shù)降低而優(yōu)化。圖f和g則展示了MeO-4PACz分子在IWO表面的兩種主要化學(xué)鍵合模式，為后續(xù)界面分析奠定基礎(chǔ)。

Figure 2研究了不同O2/Ar流量比對(duì)單層IWO薄膜各項(xiàng)性能的影響。圖a展示了反應(yīng)等離子體沉積設(shè)備的示意圖。圖b和圖c詳細(xì)呈現(xiàn)了IWO薄膜的電學(xué)特性包括載流子濃度、遷移率、電阻率和方阻隨O2/Ar比變化的規(guī)律，揭示了氧空位和摻雜的協(xié)同作用。圖d和e的XPS圖譜分析了氧元素化學(xué)態(tài)，證實(shí)氧空位隨O2/Ar比增加而減少。圖f和g的UPS測(cè)量直接證明了IWO薄膜的功函數(shù)可通過O2/Ar比進(jìn)行有效調(diào)控，并在60%時(shí)達(dá)到最大值。

Figure 3.圖a和b展示了雙層結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能，其變化趨勢(shì)與單層薄膜一致。圖c的XPS分析再次確認(rèn)了氧空位的變化。圖d和e證明所有雙層結(jié)構(gòu)在底部子電池的吸收光譜范圍內(nèi)均保持了優(yōu)異的光學(xué)性能，具有高透光率和低吸收系數(shù)。圖f和g的UPS測(cè)量分別顯示了上層IWO的高功函數(shù)和下層IWO的相對(duì)低功函數(shù)。圖h的能帶結(jié)構(gòu)示意圖直觀地展示了這種梯度功函數(shù)設(shè)計(jì)如何實(shí)現(xiàn)與頂?shù)鬃与姵氐膬?yōu)化能帶對(duì)齊。

Figure 4研究了雙層IWO薄膜的表面特性及其與MeO-4PACz的界面相互作用。圖a的AFM圖像顯示上層IWO的表面粗糙度受到下層影響，但整體仍隨O2/Ar比升高而降低。圖b的KPFM和補(bǔ)充數(shù)據(jù)的CAFM結(jié)果表明30%/40% IWO樣品上的MeO-4PACz覆蓋最均勻。圖c和d的XPS譜圖顯示In 3d結(jié)合能的正移和O 1s譜中In-O-P鍵的形成，證實(shí)了MeO-4PACz與IWO表面的成功鍵合。圖e的XRD和圖f的PL光譜則證明在30%/40% IWO上制備的鈣鈦礦薄膜具有最佳的結(jié)晶質(zhì)量和光學(xué)性能。

圖a為器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖b顯示冠軍器件基于30%/40% IWO中間層獲得了31.91%的轉(zhuǎn)換效率和81.01%的填充因子。圖c的EQE曲線給出了頂?shù)鬃与姵馗髯缘碾娏髅芏蓉暙I(xiàn)。圖d的模擬結(jié)果與圖e至h的實(shí)驗(yàn)性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)高度吻合，共同驗(yàn)證了梯度功函數(shù)中間層設(shè)計(jì)的有效性，顯著提升了器件的填充因子和最終轉(zhuǎn)換效率。

文章來源

ACS Energy Lett. 2025. 10. 5982-5992