1. 研究背景
- 铟资源稀缺性：铟是广泛使用的TCO材料（如氧化铟锡，ITO）的关键组成部分，是一种稀有且昂贵的稀土元素。不断增长的太阳能电池需求使得寻找替代品以减少对铟的依赖变得至关重要。
- 现有策略及局限性：以前减少铟用量的尝试包括减薄ITO薄膜、探索无铟TCO（如ZnO基材料）或设计无TCO结构。然而，这些方法面临挑战：减薄ITO会影响薄膜质量；ZnO基TCO的电子迁移率低且耐潮湿性差；无TCO设计则存在内在的物理限制。
2. 研究思路
研究人员采用了一种新颖的方法：直接减少TCO 源材料 中的铟含量，而不是仅仅关注薄膜厚度或替代材料。他们选择氧化铟锌（IZO）作为目标材料，并采用反应等离子体沉积（RPD）技术（与溅射相比，这是一种损害较小的沉积技术）来沉积高质量的IZO薄膜。
3. 研究内容
- 目标材料设计：研究人员设计了一种具有Zn3In2O6组成的IZO靶材（50 wt% In2O3和50 wt% ZnO）。密度泛函理论 (DFT) 计算用于预测高ZnO含量对IZO导带的影响，结果表明在获得高电子迁移率方面存在潜在的限制。
- RPD工艺优化：通过改变氧气流量比来优化RPD工艺。最佳条件下获得的IZO薄膜电阻率为6.08 × 10⁻⁴ Ω·cm，与标准ITO薄膜相当。
- 材料表征：使用多种技术对IZO薄膜进行了广泛的表征：XRD（晶体结构）、SEM/EDX（形貌和成分）、霍尔测量（电学性能）、XPS（表面成分和氧空位）、UPS（功函数）、紫外-可见-近红外光谱（光学性能）和AFM（表面粗糙度）。结果表明，薄膜为非晶态，具有高电子迁移率（31 cm²/Vs）、高载流子浓度（3.37 × 10²⁰ cm⁻³）和约3.6 eV的光学带隙。湿热测试证实了其强大的稳定性。
- 器件演示：将优化的IZO薄膜集成到晶圆级SHJ太阳能电池中。与参考ICO（氢化铈掺杂氧化铟）器件相比，基于IZO的器件表现出更高的填充因子 (FF)，实现了24.34%的最高效率。EQE测量支持了性能分析，尽管ICO参考样品仍然显示出优越的光学响应。OPAL模拟表明，添加抗反射涂层可以进一步提高基于IZO器件的性能。
4. 研究结论
研究人员成功地证明了在IZO TCO薄膜中减少了超过50%的铟含量，同时保持了与ITO相当的性能。 RPD技术被证明可有效沉积高质量、稳定的IZO薄膜。 IZO薄膜的非晶态性质有助于其高迁移率。 IZO薄膜表现出优异的湿热稳定性。 虽然基于IZO的SHJ太阳能电池取得了相当可观的效率（24.34%），但进一步优化（例如，使用抗反射涂层）可以缩小与ICO参考器件的差距。
图1：SHJ太阳能电池结构和TLM样品结构示意图。
- (a) SHJ太阳能电池结构：显示了硅异质结太阳能电池的横截面，说明了各层结构：纹理化的n型硅晶圆、本征非晶硅 (i-a-Si:H)、p型非晶硅 (p-a-Si:H)、n型非晶硅 (n-a-Si:H) 和作为前电极的TCO（IZO或ICO）层。该图建立了正在研究的器件结构。
- (b) TLM样品结构：说明了用于测量TCO层与薄膜硅层和银 (Ag) 电极之间接触电阻的传输长度法 (TLM) 结构。Ag电极之间不同的间距允许计算接触电阻。SiOx层用于隔离。
- (c) TCO/Ag接触方案和薄膜硅层界面：放大图，阐明了TLM测量的接触点。
图2：Zn3In2O6的晶体结构、能带结构、有效质量和态密度。
- (a) Zn3In2O6的收敛晶体结构：显示了通过DFT计算获得的，设计的IZO靶材的优化晶体结构。这是实验中使用的材料的理论模型。
- (b) In2O3 (IO)的能带结构：纯氧化铟的能带结构，显示了电子的能级。
- (c) IZO的能带结构：IZO材料(Zn3In2O6)的能带结构，显示了锌掺杂对能级的影响。比较(b)和(c)突出了Zn对电子性能的影响。
- (d)不同方向的电子有效质量：比较了In2O3和IZO沿不同晶体学方向的电子有效质量。较高的有效质量意味着较低的迁移率，这在TCO性能方面很重要。
- (e) IO的态密度 (DOS) 图：显示了In2O3中电子能级的分布。
- (f) IZO的态密度 (DOS) 图：显示了由于在IZO中添加Zn掺杂而导致的电子能级分布的变化。这进一步了解了Zn的添加引起的电子结构改变。
图3：IZO靶材的XRD图谱、SEM图像和EDX图像。
- (a) XRD图谱：显示了IZO靶材中存在的晶相。鉴定了Zn3In2O6和Zn4In2O7相。
- (b) SEM图像：扫描电子显微照片，显示了IZO靶材的微观结构。它揭示了靶材的形貌和晶粒尺寸。
- (c-e) EDX图像：元素映射图像，显示了IZO靶材中氧 (c)、铟 (d) 和锌 (e) 的分布。这证实了靶材的成分均匀性或不均匀性。
图4：IZO薄膜的电学性能与氧气流量比和湿热时间的函数关系。
- (a) 电子迁移率 (μe)：绘制了沉积态和退火态IZO薄膜的电子迁移率与氧气流量比的关系图。显示了通过氧气流量优化迁移率。
- (b) 载流子浓度 (Ne)：绘制了载流子浓度与氧气流量比的关系图。显示了载流子浓度如何受氧气流量的影响。
- (c) 电阻率 (ρ)：绘制了电阻率与氧气流量比的关系图。显示了氧气对电导率的整体影响。
- (d) μe与Ne的关系：显示了电子迁移率和载流子浓度之间的关系。虚线表示每个(μe, Ne)对计算出的电阻率。
- (e) 湿热 (DH) 处理后的μe、Ne和ρ：显示了湿热条件下电学性能随时间的稳定性。
图5：IZO和ICO薄膜的光学性能。
- (a) 反射率和透射率光谱： 显示了IZO和ICO薄膜在一定波长范围内的光学透射率和反射率。这对于太阳能电池中的TCO应用至关重要。
- (b) 吸收率光谱：显示了薄膜吸收的光量。
- (c) Tauc曲线：用于确定薄膜的光学带隙 (Eg) 和Urbach能量 (EU)。插图表格提供了计算值。
- (d) 波长相关的折射率 (n) 和消光系数 (k)：显示了复折射率，表明光如何与薄膜相互作用。
图6：IZO和ICO薄膜的XRD图谱。
- (a) XRD图谱比较：比较了IZO和ICO薄膜的XRD图谱，突出了沉积态薄膜的非晶态性质以及ICO薄膜退火后的轻微结晶。
- (b) 不同r(O2)的IZO薄膜的XRD图谱： 显示了氧气流量比对IZO薄膜结晶度的影响。
图7：IZO和ICO薄膜中O 1s核能级峰的XPS谱图。
- (a-c) IZO薄膜：显示了不同氧气流量比的IZO薄膜的O 1s核能级的高分辨率XPS谱图。这允许对氧空位的定量分析。
- (d) ICO薄膜： 显示了ICO薄膜的O 1s XPS谱图。
- (e) 晶格氧和氧空位的比例： 总结了IZO和ICO薄膜中晶格氧和氧空位的相对数量。
图8：接触电阻和SHJ太阳能电池参数。
- (a) 接触电阻：显示了TCO与薄膜硅层之间以及TCO与Ag电极之间的接触电阻。
- (b) 开路电压 (VOC)：显示了SHJ太阳能电池的VOC。
- (c) 短路电流密度 (JSC)：显示了SHJ太阳能电池的JSC。
- (d) 填充因子 (FF)： 显示了SHJ太阳能电池的FF。
- (e) 功率转换效率 (η)：显示了SHJ太阳能电池的功率转换效率。
图9：EQE曲线和模拟的反射率和透射率光谱。
- (a) 外量子效率 (EQE) 曲线：显示了基于IZO和基于ICO的SHJ太阳能电池的EQE。插图显示了放大的视图。
- (b) 模拟的反射率和透射率光谱：显示了具有和不具有MgF2抗反射涂层的典型基于IZO的SHJ太阳能电池的模拟反射率和透射率光谱。
