苏州大学，最新Nature Energy

无铟复合层材料新突破，实现钙钛矿/硅叠层电池效率达33.3%

在光伏技术领域，钙钛矿太阳能电池凭借其优异的光电性能与低成本潜力迅速崛起，单结器件已逼近其效率极限。为突破这一瓶颈，将宽禁带钙钛矿电池与窄禁带硅电池结合的叠层技术，成为提升效率、推动产业化的关键路径。目前，实验室小面积钙钛矿/硅叠层电池的认证效率已突破35%，展现出巨大的商业前景。然而，叠层器件的核心枢纽——位于顶底子电池之间的复合层，面临着严峻挑战。理想的复合层需同时满足高效载流子复合、高光学透明度及坚固的界面化学稳定性。当前主流方案中，含铟透明导电氧化物虽导电性佳，但其高横向导电性易导致分流漏电，降低填充因子和开路电压；而硅基隧穿结则存在严重的寄生吸收，限制了短路电流。这些痛点促使研究人员探寻一种无铟、低成本且性能均衡的新型复合层材料。

针对上述挑战，来自苏州大学杨新波教授、张晓宏教授，香港理工大学殷骏助理教授，以及杭州众能光电科技有限公司石磊博士和无锡博达新能源有限公司朱俊成功合作开发出一种多功能、无铟的钛氮氧化物（TiOₓNᵧ）复合层，作为钙钛矿/硅叠层电池的互联层。该材料通过反应溅射法制备，能够在实现高效垂直载流子复合的同时，有效抑制横向漏电，并为自组装单分子层提供三齿锚定位点。基于该复合层，研究团队在1.0 cm²的实验室器件上实现了33.3%的光电转换效率（认证效率32.8%），并在207.87 cm²的工业级迷你组件上取得了30.6%的认证效率，同时显著提升了器件的运行稳定性。该成果为叠层光伏技术提供了一种可规模化、可持续的互联新策略。相关论文以题为“High-performance perovskite/silicon tandem solar cells enabled by multifunctional titanium oxynitride recombination layers”发表在最新一期《nature energy》上。

器件性能表现

研究团队构建了以TiOₓNᵧ为复合层的钙钛矿/硅叠层电池（图1a）。通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜及能谱分析，证实了约8纳米厚的TiOₓNᵧ层在纹理硅表面均匀覆盖（图1b）。电流密度-电压特性测试显示，基于TiOₓNᵧ的冠军器件实现了33.3%的效率，开路电压（Voc）达1.988 V，短路电流密度（Jsc）为20.91 mA cm⁻²，填充因子高达80.11%（图1c）。其稳定功率输出效率为33.04%（图1d），且经日本电气安全与环境技术实验室认证，效率确认为32.8%。相比之下，采用传统IZO复合层的对照器件效率仅为32.34%，主要受限于较低的Voc（1.965 V）和填充因子（78.41%）。外量子效率（EQE）谱图显示（图1e），TiOₓNᵧ器件在近红外区域存在轻微寄生吸收，但其更高的分流电阻有效抑制了横向分流，从而获得了更高的填充因子。在85°C和85%相对湿度的双85老化测试中，基于TiOₓNᵧ的实验室器件在1000小时后仍维持初始效率的90%（图1f），远优于IZO对照器件的75.2%，展现出卓越的稳定性。

图 1 | 实验室级钛氧氮化物串联电池的性能

规模化应用验证

在工业级（210 mm×105 mm）硅底电池上，研究团队验证了该技术的可扩展性（图2a,b）。采用TiOₓNᵧ复合层的工业尺寸叠层电池（207.87 cm²）冠军效率达30.6%（图2c,d），经国家光伏产业计量测试中心认证为30.6%。与实验室结果一致，TiOₓNᵧ器件在双85湿热测试中（图2e），1000小时后仍保持初始效率的90%，而IZO对照组仅为75.2%，彰显了其在高湿高热环境下的优异耐久性。

图 2 | 使用TiOx Ny的工业规模串联装置性能

材料特性与机制研究

为了解其性能来源，研究人员对TiOₓNᵧ的光电性质进行了深入研究。高分辨X射线光电子能谱（XPS）分析表明（图3a,b），薄膜由TiO₂、TiN和TiON混合相构成，其中Ti₂.₇₅O₂N₂的化学计量比接近稳定态，光学带隙为3.36 eV。电学测试显示（图3c），8纳米厚的TiOₓNᵧ薄膜方阻（Rs）为3041 Ω/sq，远高于10纳米IZO的480 Ω/sq，这有效抑制了横向漏电。尽管其在近红外区的透射率略低（图3d），但其与硅底电池的接触电阻率（ρc）仅为28 mΩ cm²，优于IZO的45 mΩ cm²。通过优化厚度（图3e），研究者发现8纳米是实现电学与光学性能最佳平衡的厚度。紫外光电子能谱（UPS）显示，TiOₓNᵧ的表面功函数在吸附自组装单分子层后，从4.41 eV大幅提升至5.06 eV（图3f），远高于IZO的功函数变化，这有利于界面处高效的载流子复合。基于SCAPS-1D的能带模拟进一步证实（图3g,h），TiOₓNᵧ消除了复合层与硅底电池之间的能量势垒，促进了载流子的有效提取。

图 3 | TiOx Ny 的光电特性

SAM吸附与界面化学

自组装单分子层在TiOₓNᵧ表面的吸附行为对器件性能至关重要。通过密度泛函理论（DFT）计算，研究者发现TiOₓNᵧ（100）晶面能为自组装单分子层分子（MeO-4PACz和4PADCB）提供了双齿和三齿配位模式（图4a,c）。三齿配位结合能高达-6.38 eV和-6.53 eV，远强于在IZO表面的吸附。晶体轨道哈密顿布居（COHP）分析表明（图4d），氮元素在增强化学吸附强度中扮演了关键角色。开尔文探针力显微镜（KPFM）图像直观显示（图4e,f），经自组装单分子层修饰后，TiOₓNᵧ表面电位更均匀。XPS和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进一步确认（图4g-l），TiOₓNᵧ表面具有更高的自组装单分子层覆盖密度和更强的P–O–Ti共价键合，从而形成了更致密、有序的自组装单分子层，有效抑制了非辐射复合。

图 4 | SAM 在 TiOx Ny 上的吸附

钙钛矿结晶与界面质量

自组装单分子层/钙钛矿界面特性直接影响顶电池质量。研究者发现，钙钛矿前驱体在TiOₓNᵧ/自组装单分子层表面的接触角接近0°，远优于IZO/自组装单分子层的9.3°，表明其具有极佳的润湿性。掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图像显示（图5a,b），在TiOₓNᵧ/自组装单分子层上生长的钙钛矿薄膜具有更强的(100)晶面衍射强度，结晶质量更高。稳态光致发光（PL）谱和PL成像（图5c-e）证实，TiOₓNᵧ基钙钛矿薄膜的发光强度更高、分布更均匀，缺陷诱导的非辐射复合被显著抑制。时间分辨光致发光（TRPL）分析表明（图5f），其载流子寿命延长至7.1 μs以上。绝对光致发光量子产额（PLQY）测试显示（图5g,h），TiOₓNᵧ基薄膜的准费米能级分裂达1.269 eV，高于IZO基的1.253 eV，且其理想因子更低（1.46 vs 1.54），表明界面缺陷显著减少。

图 5 | 生长在TiOx Ny /SAM上的钙钛矿

总结与展望

本研究工作成功开发了钛氮氧化物（TiOₓNᵧ）作为一种多功能、无铟的复合层材料，用于单块钙钛矿/硅叠层太阳能电池。它巧妙地解决了传统透明导电氧化物和硅基隧穿结面临的多重局限，兼具高导电性、优良的能带对齐和与自组装单分子层的强化学键合能力。基于此，研究实现了小面积（32.8%）和大面积（30.6%）器件的高认证效率，并显著提升了器件在运行和湿热环境下的稳定性。机理研究揭示了TiOₓNᵧ为自组装单分子层提供丰富锚定位点、调控钙钛矿结晶并促进界面载流子复合的内在机制。该成果确立了TiOₓNᵧ作为一种可规模化、可持续的互联层技术，为钙钛矿/硅叠层光伏技术的商业化铺平了道路。