微纳材料设计与制造研究中心

钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其高效率和低成本的制造优势，近年来成为光伏领域的重要研究方向。虽然小面积PSCs（≤1 cm²）的效率已经达到26.7%^[1–3]，但将这一技术推广到大面积太阳能模块（PSMs, ≥50 cm²）仍面临着许多挑战，尤其是电子传输层（ETL）的均匀性和稳定性问题。氧化锡（SnO₂）因其优良的导电性和与钙钛矿层的兼容性，广泛应用于倒置结构PSCs的ETL。然而，在大面积模块中，传统的SnO₂沉积方法难以实现高效、均匀的薄膜沉积，并且高温退火处理可能导致钙钛矿层的降解，影响器件性能。空间原子层沉积（SALD）作为一种新兴的薄膜沉积技术，结合了传统原子层沉积（ALD）精确的厚度控制和快速沉积的优点，成为了大面积PSMs制备的理想选择。因此，如何利用SALD技术在大面积PSMs中实现高效、均匀的SnO₂ ETL沉积，已成为推动PSMs商业化的关键之一。

为实现上述目标，华中科技大学陈蓉研究团队提出了一种可扩展的低温SALD方法制造高性能的SnO₂ ETL，实现了高效大面积倒置PSMs。通过精准控制氧源和载气流量来调控SnO₂薄膜的氧空位和光电性能，使其迁移率达19.4 cm²V^-1 s^-1，电荷传输更高效。利用自组装搭建的可扩展模块化多通道喷头的SALD系统，优化了氧源与SALD沉积工艺，实现了高质量、均匀的大面积SnO₂薄膜。沉积400 cm² SnO₂薄膜的厚度不均匀性仅为2.36%，制备的400 cm² PSMs的光电转换效率高达19.35%，光照600小时后，还能保持初始效率的82%。在这项研究的开展过程中，苏州晟成光伏有限公司为研究团队提供了重要的技术支持与合作，充分发挥了其在光伏领域的技术优势。通过双方优势互补，推动了SALD技术的产业化转化，为研究成果的实际应用奠定了基础。相关成果以“Scalable Deposition of SnO₂ ETL via SALD for Large-Area Inverted Perovskite Solar Modules”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上（DOI: 10.1016/j.cej.2025.159629）。博士研究生蒋雪微为第一作者，单斌教授、杨帆副研究员为共同通讯作者^[4]。

SnO₂薄膜电学性能与氧源、载气流量、生长温度密切相关。探究氧源影响时发现，L-H₂O₂电学性能最佳，载流子浓度达5.33×10²⁰ cm^-3，且其电阻率最低（3.74×10^-3 Ω・cm），迁移率最高（19.3 cm² V^-1 s^-1）。研究H₂O₂载气流量影响时发现，流量降低，载流子浓度和迁移率升高。此外，在100 ℃制备的样品电学性能佳，适用于钙钛矿太阳能电池，且L-H₂O₂迁移率优于目前发表的ALD和SALD制备的SnO₂薄膜。同时，升温可提升载流子浓度、迁移率，降低电阻率。为明晰电学性能变化机制，对薄膜成分分析。三种氧源沉积的SnO₂薄膜为非晶态，均有氧空位缺陷。L-H₂O₂氧空位（O_V）含量最高（36.5%），降低H₂O₂载气流量会增加O_V。EPR和拉曼光谱证实了O_V存在，L-H₂O₂的EPR峰强度高、拉曼光谱E1峰位移，均表明其O_V多、结构无序。综上，高O_V的SnO₂薄膜载流子浓度高、迁移率高、电阻率低。低温SALD过程中，调控氧源和载气流量来控制O_V，可实现高迁移率与优异导电性。

此外，探究了不同氧源对SnO₂薄膜光学性能的影响。L-H₂O₂薄膜因密度低，透过率最高，其折射率也能证明这点。通过Tauc图和紫外光电子能谱检测 SnO₂薄膜能带结构发现，L-O₂、L-H₂O和L-H₂O₂的带隙分别为3.54 eV、3.62 eV和 3.66 eV，费米能级相应变化。这是因氧空位增加使载流子浓度上升，导致光吸收和带隙蓝移。三者导带最小值与C₆₀/钙钛矿形成的能垒不同，L-H₂O₂能垒最低，利于电子提取传输，减少界面电荷积累与复合，且其价带最大值更深，降低非辐射复合。钙钛矿层与ETL接触时PL猝灭明显，说明电子高效提取转移。C₆₀/L-H₂O₂ ETL样品PL强度更低，电子转移更高效。瞬态光致发光光谱显示，L-H₂O₂的PL寿命最短，电子提取效率最高。独立电子器件测陷阱密度发现，L-H₂O₂器件的陷阱填充极限电压更低，界面缺陷少。这是因SnO₂层氧空位增加使锡原子迁移，与钙钛矿成分反应钝化界面缺陷。L-H₂O₂器件暗电流低、提取斜率陡，电荷提取好、积累少。L-H₂O₂制备的PSCs高频半圆小、低频半圆大，电荷传输转移好、复合少，其理想因子低，界面非辐射复合少。这些都证实L-H₂O₂增强电荷提取，抑制界面电荷复合，与PL和TRPL结果一致。

为评估光伏电池性能，利用SALD沉积的SnO₂ ETL制造了1.5 cm² PSCs和400 cm² PSMs。J-V曲线显示，相比L-H₂O ETL和L-O₂ ETL的PSCs，L-H₂O₂ ETL的PSCs PCE达21.48%（Voc = 1.15 V，Jsc = 22.37 mA/cm²，FF = 83.50%）。L-H₂O₂ ETL器件EQE更高，因迁移率高提升电子提取效率。L- H₂O₂ ETL的PSMs PCE为19.35%，L-H₂O ETL和L-O₂ ETL的PSMs PCE分别为15.71% 和14.16%。统计表明L-H₂O₂ ETL的PSMs性能最佳，Voc和FF最高，另两者则存在显著复合和高电阻损耗。器件稳定性关乎PSCs商业化。无冷却空气条件下，L-H₂O₂ ETL的PSMs运行稳定性优于另两者，因SnO₂薄膜氧空位增加钝化缺陷、减少复合。其光稳定性优异，600小时连续照射后保持约82%初始PCE。与文献中大规模PSCs相比，L-H₂O₂ ETL的PSMs在400 cm²面积上具有更高的PCE。

综上所述，本研究借助SALD技术制备SnO₂ ETL，成功应用于大面积倒置PSMs，展现出商业应用潜力。通过精准调控氧前驱体反应活性与载气流量，实现了对SnO₂薄膜氧空位的精确管理，使薄膜电子迁移率高达19.4 cm² V⁻¹ s⁻¹，同时保障了优异的厚度均匀性，不均匀度仅为2.36%。采用SnO₂ ETL所制备的400 cm² PSM，PCE高达19.35%。这一性能主要得益于SnO₂ ETL的高迁移率，其大幅降低了电子传输过程中的能量损耗，显著提升了电荷载流子的收集与转移效率。本研究成果证实了通过SALD技术调控SnO₂ ETL中氧空位缺陷的有效性，为高效PSM的商业化进程提供了关键支持。

参考文献：

[1] best-research-cell-efficiencies.pdf,(n.d.).https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.pdf (accessed October 25, 2024).

[2] M.A. Green, E.D. Dunlop, M. Yoshita, N. Kopidakis, K. Bothe, G. Siefer, D. Hinken, M. Rauer, J. Hohl-Ebinger, X. Hao, Solar cell efficiency tables (Version 64), Prog. Photovolt. Res. Appl. 32 (2024) 425–441.

[3] J. Li, H. Liang, C. Xiao, X. Jia, R. Guo, J. Chen, X. Guo, R. Luo, X. Wang, M. Li, M. Rossier, A. Hauser, F. Linardi, E. Alvianto, S. Liu, J. Feng, Y. Hou, Enhancing the efficiency and longevity of inverted perovskite solar cells with antimony-doped tin oxides, Nat. Energy 9 (2024) 308–315.

[4] X. Jiang, B. Shan, G. Ma, Y. Xu, X. Yang, W. Zhou, C. Li, F. Yang, R. Chen, Chemical Engineering Journal 2025, 505, 159629.