文章概述

本文针对钙钛矿/硅叠层太阳能电池中关键连接层——透明导电氧化物的功函数匹配问题展开研究。顶部钙钛矿子电池需要高功函数的IWO层以优化空穴提取，而底部硅异质结子电池则需要低功函数的IWO层以促进电子传输。为解决这一矛盾，该文章通过反应等离子体沉积技术，调控氧气与氩气的流量比，成功制备出具有梯度功函数的双层IWO中间层。该设计不仅改善了能带对齐，减少了界面势垒，其优化的IWO表面还促进了MeO-4PACz分子的有效锚定，从而提升了钙钛矿层的结晶质量。最终，基于30%/40% O2/Ar流量比的双层IWO中间层的叠层太阳能电池实现了31.91%的优异光电转换效率。

创新点分析

【资料图】

1提出了功函数梯度设计的理念。通过系统模拟明确了叠层电池顶底子电池对中间层功函数截然相反的需求，并据此设计了具有空间渐变功函数的双层IWO中间层，从根源上解决了界面能带失配问题。

2实现了材料特性与界面工程的协同优化。研究发现调控O2/Ar流量比不仅能改变IWO的体相电学性能和功函数，还显著影响其表面形貌和羟基密度，后者直接决定了后续空穴传输分子MeO-4PACz的覆盖质量，从而影响钙钛矿薄膜的结晶。

3提供了从硅电池角度出发的可扩展技术路线。该策略基于成熟的反应等离子体沉积技术，通过简单调整工艺参数即可实现高性能中间层的制备，为高效率叠层电池的规模化制造提供了具有吸引力的技术方案。

Figure 1阐明了IWO中间层功函数对器件性能的影响机制。图a展示了IWO与不同类型半导体接触时的能带弯曲原理，高功函数利于空穴提取，低功函数利于电子传输。图b提出了两种提升IWO功函数的策略。图c是用于模拟的叠层电池结构示意图。图d和e的模拟结果分别清晰表明顶部子电池性能随IWO功函数升高而提升，而底部子电池性能则随功函数降低而优化。图f和g则展示了MeO-4PACz分子在IWO表面的两种主要化学键合模式，为后续界面分析奠定基础。

Figure 2研究了不同O2/Ar流量比对单层IWO薄膜各项性能的影响。图a展示了反应等离子体沉积设备的示意图。图b和图c详细呈现了IWO薄膜的电学特性包括载流子浓度、迁移率、电阻率和方阻随O2/Ar比变化的规律，揭示了氧空位和掺杂的协同作用。图d和e的XPS图谱分析了氧元素化学态，证实氧空位随O2/Ar比增加而减少。图f和g的UPS测量直接证明了IWO薄膜的功函数可通过O2/Ar比进行有效调控，并在60%时达到最大值。

Figure 3.图a和b展示了双层结构的电学性能，其变化趋势与单层薄膜一致。图c的XPS分析再次确认了氧空位的变化。图d和e证明所有双层结构在底部子电池的吸收光谱范围内均保持了优异的光学性能，具有高透光率和低吸收系数。图f和g的UPS测量分别显示了上层IWO的高功函数和下层IWO的相对低功函数。图h的能带结构示意图直观地展示了这种梯度功函数设计如何实现与顶底子电池的优化能带对齐。

Figure 4研究了双层IWO薄膜的表面特性及其与MeO-4PACz的界面相互作用。图a的AFM图像显示上层IWO的表面粗糙度受到下层影响，但整体仍随O2/Ar比升高而降低。图b的KPFM和补充数据的CAFM结果表明30%/40% IWO样品上的MeO-4PACz覆盖最均匀。图c和d的XPS谱图显示In 3d结合能的正移和O 1s谱中In-O-P键的形成，证实了MeO-4PACz与IWO表面的成功键合。图e的XRD和图f的PL光谱则证明在30%/40% IWO上制备的钙钛矿薄膜具有最佳的结晶质量和光学性能。

图a为器件结构示意图。图b显示冠军器件基于30%/40% IWO中间层获得了31.91%的转换效率和81.01%的填充因子。图c的EQE曲线给出了顶底子电池各自的电流密度贡献。图d的模拟结果与图e至h的实验性能参数统计高度吻合，共同验证了梯度功函数中间层设计的有效性，显著提升了器件的填充因子和最终转换效率。

文章来源

ACS Energy Lett. 2025. 10. 5982-5992