低成本、高效的太阳能电池对于实现碳中和的目标至关重要。硅异质结（SHJ）太阳能电池因其高转换效率和低温度系数而成为光伏领域的研究热点，是未来光伏产业最有前景的方向之一。稀有铟供应有限和银浆成本高是SHJ太阳能电池面临的最重要问题之一。

为了克服高效SHJ太阳能电池中铟基透明电极的障碍，苏州迈为科技股份有限公司董刚强博士与南开大学张晓丹教授在室温下通过溅射成功制备了廉价且可大规模生产的无掺杂氧化锡（SnOx）电极材料。研究人员利用其天然氧空位缺陷，所制备材料的载流子迁移率和电阻率分别达到22 cm2 V−1 s−1和2.38 × 10−3 Ω cm。具有未掺杂 SnOx 正面透明电极的 SHJ 太阳能电池的效率为 24.91%。此外，SnOx薄膜具有优异的化学稳定性，可以抵抗电镀过程中酸碱溶液的腐蚀。最后，制备了镀铜电极和双面铟基透明电极减半的SHJ太阳能电池，其认证效率达到25.94%（总面积274.4 cm 2）。相关研究成果以题“Silicon solar cell with undoped tin oxide transparent electrode”发表在最新一期《 Nature Energy》上。

值得一提的是，该论文的第一单位为苏州迈为科技股份有限公司，本文第一作者Cao Yu与通讯作者董刚强博士均隶属于该公司，董刚强博士为该公司的研发总监。

谈到苏州迈为科技股份有限公司（Suzhou Maxwell Technologies Co.,Ltd.），成立于2010年，位于江苏省苏州市，是一家以从事研究和试验发展为主的企业，主要经营业务包括自动化设备及仪器研发；各类新型材料研发、生产；软件开发；主要产品包括太阳能光伏、半导体等。2018年11月，公司正式在深圳证券交易所上市（迈为股份：300751)。

【SnOx薄膜和SHJ太阳能电池】

作者通过调整沉积过程获得了优质的未掺杂SnOx薄膜。其中，光电性能最好的薄膜电阻率为2.38×10−3 Ω·cm，迁移率为22 cm2 V−1 s−1，载流子浓度为1.02×1020 cm−3，低吸收系数为2.14×105 cm−1在600 nm处（图1a、b）。图1c中的X射线衍射（XRD）表征表明，SnOx薄膜没有特征峰并且呈现非晶态，导致原子力显微镜（AFM）观察到较低的表面粗糙度（图1c）。图1d显示了Sn3 d和O1 s的典型核心能级光谱，这意味着SnOx薄膜的高度缺氧非化学计量形成，这就是它可以导电的原因。SnOx薄膜的光致发光（PL）发射光谱为五个峰，中心位于366、399、448、500和528 nm（图1e），399 nm和448 nm处的室温PL发射主要由氧空位决定。随后，将优化后的SnOx薄膜应用于传统SHJ太阳能电池作为前TE层，替代IMO:H以降低金属铟含量。SHJ太阳能电池的结构如图1f（插图）所示，平均效率为24.83%，最高效率为24.91%（开路电压，Voc=747.7mV；短路电流密度，Jsc=39.60 mAcm −2；FF=84.14%）（图1f）。与现有基于非In 2O 3透明电极材料520的SHJ太阳能电池研究相比，该工作获得的效率处于领先水平。

图1.未掺杂SnOx薄膜的材料特性及其在SHJ太阳能电池中的应用

【IMO:H+SnOx双层膜和SHJ太阳能电池】

为了进一步提高效率，作者设计了IMO:H+SnOx双层薄膜来提高薄膜的电导率。双层膜结合了非晶SnOx膜和多晶IMO:H膜（图2a）。与单层SnOx薄膜相比，双层薄膜的迁移率提高了三倍，载流子浓度增加，降低了双层薄膜的电阻率（图2b）。在上述薄膜性能改进的基础上，作者通过替代正面透明电极，将双层薄膜应用到SHJ太阳能电池中。其结构如图2c所示。由于上述特性，与SnOx单层薄膜相比，太阳能电池的所有性能参数均得到改善，特别是FF，这归因于电性能和接触性能的改善。最后，高效SHJ太阳能电池实现了25.71%效率（Voc=748.34mV，Jsc=39.98mAcm−2，FF=85.95%）（图2c，d）。

图2.IMO:H+SnOx双层薄膜的材料特性及其在SHJ太阳能电池中的应用

【高效低成本SHJ太阳能电池】

最后，由于双层膜能够承受酸和碱的侵蚀（图3a），作者采用电镀工艺将银电极替换为铜电极，制备了高效SHJ太阳能电池（图3b）。随后，使用 MgF 2 + SnOx + IMO:H + n-μc-SiOx 的SHJ 太阳能电池实现了 25.94% 的最高效率（Voc = 747.5 mV，Jsc = 40.49 mA cm −2，FF = 85.71%）：H前接触层和p-μc-Si:H + IMO:H + SnOx后接触层（图3c），获得了Institut für Solarenergieforschung CalTeC性能认证。

图3.化学稳定性和低成本高效SHJ太阳能电池

【小结】

本文明了采用铜电极的非晶无掺杂SnOx透明电极替代采用银电极的铟基透明电极的可行性，为解决银浆成本高和稀土铟供应有限的问题提供了有效的解决方案。有理由相信，这种可在室温下加工的非晶态未掺杂SnOx透明电极不仅适用于硅太阳能电池，也适用于钙钛矿和相应的串联器件。此外，SnOx衍生材料有望在光电催化二氧化碳还原和水分解析氢领域发挥有吸引力的作用。

来源：高分子科学前沿

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