近日，鉴于此，
苏州大学张晓宏、杨新波、蒙纳士大学程渊、正泰新能李子佳等人报道了通过反应等离子体沉积氧化
锡(RPD-SnOx)实现的高效且稳定的无铟
钙钛矿/硅叠层
太阳能电池。相关研究成果以“Indium-free perovskite/silicon tandem solar cells withtin oxide recombination layer and electrodes”为题发表在Science上!
研究背景
钙钛矿/硅叠层太阳能电池能突破单节硅电池的效率极限，实现更高效率。然而，现有的高效叠层电池严重依赖铟基透明导电氧化物(TCO)作为电极和复合层。铟的稀缺性、高成本以及磁控溅射过程对底层功能层的损伤限制了该技术的规模化应用，因此寻找性能优越且低成本的无铟替代方案成为行业发展的迫切需求。
目前，无铟钙钛矿/硅叠层太阳能电池的发展主要存在以下问题：
1、铟资源的稀缺性与商业规模化成本挑战
铟是一种稀有元素，全球储量和产能有限导致价格昂贵。这种对稀有资源的依赖增加了叠层电池的制造成本，成为其从实验室迈向兆瓦级规模化生产的主要经济障碍。
2、溅射工艺对功能层的物理损伤与性能降解
传统铟基TCO通常采用磁控溅射沉积，该过程会诱导高能粒子撞击底层功能层，产生不可逆的物理和电学损伤，从而降低叠层电池的光电性能、良率以及稳定性。
研究成果
鉴于此，研究团队报道了通过反应等离子体沉积氧化锡(RPD-SnOx)实现的高效且稳定的无铟钙钛矿/硅叠层太阳能电池。对于使用RPD-SnOx作为复合层的电池，实现了33.6%的认证效率。使用RPD-SnOx同时作为复合层和电极的全无铟叠层电池，在1 cm2面积上达到了33.2%的效率，微型组件(207.9 cm2)的认证效率为31.0%。RPD-SnOx实现的致密且均匀的自组装单分子层锚定抑制了非辐射复合并减少了卤化物迁移。无铟微型组件展现出优异的耐热、耐湿热和户外运行稳定性，在户外运行105天后仍保留其最大初始效率的65%。
技术优势：
1、研发的RPD-SnOx复合层实现了创纪录的无铟叠层效率
研究团队利用RPD技术制备了氧化锡，并将其作为复合层，叠层电池获得了33.6%的认证效率，证明了无铟技术完全可以媲美传统铟基电池性能。
2、实现了工业级组件的长期稳定性与户外耐受性
制备了207.9 cm2的无铟组件，并在极端湿热测试及长期户外运行中表现出卓越的稳定性，保留了初始效率的65%，为叠层电池的商业化提供了关键支持。
研究内容
1.叠层太阳能电池的性能
研究展示了使用RPD-SnOx作为复合层和电极的叠层电池性能。冠军叠层电池(SnOx-RL)实现了33.9%的功率转换效率(PCE)，认证效率为33.6%，开路电压(Voc)为1.98 V，填充因子(FF)为81.7%。完全无铟的叠层电池也达到了33.2%的高效率，均优于使用传统IZO/ITO的对照组器件(32.7%)。通过最大功率点(MPP)跟踪进一步确认，各配置器件在标准光谱下均能稳定输出。性能提升主要源于SnOx沉积过程对SHJ底电池的损伤更小，以及自组装单分子层(SAM)在SnOx表面形成了更强、更均匀的二齿锚定，从而有效抑制了埋底界面的非辐射复合。光学损耗分析显示，SnOx-RL由于减少了长波长区域的寄生吸收和反射，使电流密度(Jsc)略有提高。稳定性方面，无铟电池在3000小时的连续运行后仍能保持初始效率的81.1%，而对照组降至约50%，证明了无铟方案在耐用性上的显著优势。
图1.串联性能
2.RPD-SnOx复合层
复合层在单体叠层器件中起到连接上下子电池的作用，负责光生载流子的高效复合。研究通过在RPD过程中降低氧流量比，成功调控并制备了具有高载流子浓度(1.18×1021 cm-3)的SnOx膜。实验结果显示，采用15 nm厚度的SnOx复合层能实现最佳的PCE，这源于Voc和FF的优化平衡。密度泛函理论(DFT)计算表明，SAM分子(MeO-4PACz)在SnOx表面的吸附能为-6.779 eV，远高于ITO表面的-2.323 eV，显示出更牢固的界面结合。具体而言，磷酸锚定基团与SnOx表面的Sn原子形成二齿配位，而在ITO上主要为单齿结合。XPS表征进一步确认，SnOx表面拥有更高比例的活性羟基(-OH)，这些位点促进了SAM分子更致密、更均匀的覆盖。UPS测试显示，SAM修饰后SnOx的功函数从4.68 eV显著提升至5.23 eV，这种更大的偶极子诱导功函数偏移有利于电荷提取与复合，进而提升叠层电池性能。
图2.MeO-4PACz在RPD-SnOx上的吸附
3.在RPD-SnOx/MeO-4PACz堆上生长的过氧化物
研究深入探讨了生长在SnOx/SAM和ITO/SAM基底上的钙钛矿(过氧化物)薄膜质量。稳态荧光(PL)测试表明，在SnOx基底上沉积的钙钛矿膜展现出更高的强度，意味着非辐射复合中心显著减少。瞬态荧光(TrPL)测试确认，SnOx上的钙钛矿不仅具有更快的电荷提取，且渐近寿命延长至5μs以上(对比ITO上的3μs)，证实埋底界面的非辐射复合损失被有效抑制。PLQY测试达到0.223%，对应的准费米能级分裂(QFLS)为1.255 eV，优于对照组。较低的理想因子(1.45)进一步指出了深能级缺陷态诱导的SRH复合受到抑制。此外，TOF-SIMS深度剖面分析显示，非晶态SnOx层能有效阻挡碘离子向电极扩散，从而抑制了钙钛矿的进一步分解并保护银电极免受化学腐蚀。这种协同屏障效应有效缓解了由水分辅助生成的移动卤素引起的降解路径，显著提升了器件在长期运行中的化学稳定性。
图3.在RPD-SnOx/MeO-4PACz上生长的过氧化物
4.工业尺寸无铟叠层太阳电池
为验证该技术的可扩展性，研究人员制备了工业级尺寸(21×10.5 cm2)的无铟叠层电池。利用槽模
涂布技术制备钙钛矿薄膜，所得微型组件(有效面积207.9 cm2)实现了31.0%的认证效率。虽然大面积组件的Jsc(18.9 mA/cm2)受限于遮蔽和反射损失，但FF(84.3%)反而因优化的电网设计和较低的分流损耗而提升。稳定性测试表明，封装后的无铟组件在85°C/85%RH的极端湿热条件下运行1056小时后仍保留初始效率的95.2%。在为期105天的户外真实环境运行测试中，无铟组件表现出极佳的稳定性，保留了最大初始效率的65%，而对照组电池在75天左右即迅速降至5%。这种显著的稳定性提升源于SnOx电极稳健的界面化学性质和卓越的离子阻隔能力，证明了通过材料替代可以有效解耦叠层电池的高性能与对稀缺资源的依赖，为实现低成本、长寿命
光伏电站提供了可行路径。
图 4.工业尺寸无In串级器件的性能
结论与展望
这项研究通过使用反应等离子体沉积(RPD)制备的氧化锡(SnOx)取代传统的铟基透明导电氧化物，成功开发出高效且稳定的无铟钙钛矿/硅叠层太阳能电池。实验证明，SnOx不仅能提供优异的光电性能，还能通过增强界面锚定、减少沉积损伤以及阻挡离子迁移，显著提升电池的Voc、FF及长期运行稳定性。工业级微型组件的成功制备及卓越的户外服役表现，标志着该技术在摆脱稀缺资源依赖、降低成本及推动叠层电池商业化方面具有重大意义。
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