10001883_低温、高迁移率氧化铟铈透明电极研究

低温、高迁移率氧化铟铈透明电极研究 安世崇 黄茜 * 侯福华 陈沛润 潘恒 任慧志 侯国付 张晓丹 赵颖 （南开大学，光电子薄膜与器件研究所，天津，300071） 摘要本文采用射频磁控溅射的方法制备了氧化铟铈（ICO）透明导电薄膜，研究了不同溅射 温度下 ICO 薄膜的结构，光学和电学性能。研究结果表明，与传统的氧化铟锡（ITO）透明导 电薄膜相比，ICO 在低温下有着更高的载流子迁移率和更低的载流子浓度，进而获得了低电阻 率和高光学透过率。ICO 薄膜在半透明平面钙钛矿太阳能电池的应用表明，其低电阻率和高光 学透过率的特性提高了半透明钙钛矿太阳能电池的短路电流密度及光电转化效率。 关键词高迁移率；低温；透明导电薄膜；半透明钙钛矿太阳电池 1. 研究背景与内容 将半透明钙钛矿电池与传统的 Si 和 CIGS 电池组成高效的叠层电池是提高太阳电池效率和 降低生产成本的有效方法[1-2]。对于半透明钙钛矿太阳能电池来说，合适的透明电极材料是非 常重要的[3]。此外，由于钙钛矿在高温的条件下容易受损，所以透明电极的制备需要在低温下 进行[4]。本文系统研究了溅射温度对氧化铟铈（ICO）透明导电材料结构，光学和电学性能的 影响，并将其作为透明电极应用于半透明钙钛矿太阳能电池中，与采用传统的氧化铟锡 （ITO）作为透明电极的电池相比，其性能得到了提升。 2. 研究结果与讨论 2.1 不同溅射温度下 ICO 薄膜的结构特性 02570102571 0257105110203040506070512 2θ℃deg.Intesitya.u RT 50℃ 1 32 50℃ 2℃2℃1 图 1 不同溅射温度条件下 ICO 薄膜的 XRD 谱图 图 1 为不同溅射温度条件下 ICO 薄膜的 XRD 谱图。从图 1 中可以看出，没有观察到 Ce 氧化物的峰，例如 CeO2 和 Ce2O3。随着衬底温度的升高，ICO 薄膜的非晶相变为多晶结构，同 时，作为主峰的（222）峰值强度先增强然后减弱。总体而言，随着温度的升高，结晶度得到改 善，在 150℃时达到最佳结晶度。. 2.2 不同溅射温度下 ICO 薄膜的电学特性 0153045 60 2040608 0501015020246 8 ICOTResitviy 1-Ωcm RITO 6.5810-4ΩcmC7- ICOTMobilty cm2/Vs ICOTCarie dnsity 102cm-3 Substrae tmpratue ℃ 图 2 不同溅射温度条件下 ICO 和 ITO 薄膜的电学性能 图 2 显示了不同衬底温度条件下 ICO 薄膜电学性能的变化。此外，在室温和 200℃下制备 的 ITO 薄膜电学性能也在图 2 中作为对比示出。当衬底温度超过 100℃时，ICO 薄膜表现出超 过 80cm2/Vs 的高迁移率，但是载流子浓度的急剧下降导致了 ICO 薄膜电阻率的增大。与 ITO 薄膜正好相反的是，ICO 薄膜在低温下的电学性能更优。此外，室温条件下制备的 ICO 薄膜比 ITO 薄膜有着更高的迁移率，更低的载流子浓度和更低的电阻率。 2.3 不同溅射温度下 ICO 薄膜的光学特性 2046081020146018204608 10 405067080780590 Transmitce Wavelngth m Transmitce lt n ICO-RT20℃ I- 图 3 室温和 200℃下沉积的 ICO 和 ITO 薄膜的光学透过率 图 3 是室温和 200℃下沉积的 ICO 和 ITO 薄膜的光学透过率。同样， ICO 薄膜在低温下有 着更高的光学透过率。而且，在室温下制备的 ICO 薄膜的平均透过率高于 ITO，特别是在 400- 800nm 波长范围内，ICO 薄膜比 ITO 的平均透过率提高了 5％。 2.4 ICO 薄膜在半透明平面钙钛矿太阳能电池中的应用 020.4.60.81.0.236912518 Curent dsity mA/c2 Voltage ITOCJsc 16.3mA/c2Vo .F 67.35Ef12Jsc 17.2mA/c2Vo .F 68.92Ef130（a 30405060708020460810 EQ Wavelngth m ITOCb 图 4 （a）ICO 和 ITO 前电极半透明平面钙钛矿电池的 J-V 曲线和（b）EQE 响应 图 4（a）显示了 ICO 和 ITO 前电极半透明平面钙钛矿电池的 J-V 曲线。与 ITO 前电极半 透明钙钛矿电池相比，ICO 前电极电池的短路电流密度从 16.33 mA/cm2 提高到了 17.22 mA/cm2， 这可归因于 ICO 薄膜的电导率和在 400-800nm 波长范围内的光学透过率优于 ITO 薄 膜。因此，功率转换效率从 12.1％提高到了 13.06％。图 4（b）比较了 ICO 和 ITO 前电极半透 明平面钙钛矿太阳能电池的外量子效率（EQE） 。我们可以看出，对比参考电池，ICO 前电极半 透明钙钛矿电池的 EQE 响应几乎在整个波长范围内都有提高，这与前面的分析相对应。 3. 结论 本文提出了一种新的透明电极解决方案，研究了不同溅射温度下氧化铟铈（ICO）透明导 电薄膜的结构，光学和电学性能；着重分析了室温下制备的 ICO 材料在半透明平面钙钛矿太阳 能电池中的应用，获得了提高半透明钙钛矿太阳能电池短路电流密度，从而提高了电池效率的 效果。 参考文献 [1]Kranz L, Abate A, Feurer T, et al. High-Efficiency Polycrystalline Thin Film Tandem Solar Cells[J]. Journal of Physical Chemistry Letters, 2015, 6142676-81. [2] Bailie C D, Christoforo M G, Mailoa J P, et al. Semi-transparent perovskite solar cells for tandems with silicon and CIGS[J]. Energy Environmental Science, 2015, 83956-963. [3] Fan F, Thomas F, Timo J, et al. Low-temperature-processed efficient semi-transparent planar perovskite solar cells for bifacial and tandem applications[J]. Nature Communications, 2015, 689328932. [4] Bailie C D, Christoforo M G, Mailoa J P, et al. Semi-transparent perovskite solar cells for tandems with silicon and CIGS[J]. Energy Environmental Science, 2015, 83956-963. 致谢 感谢中央高校基础科研经费，科技部国际合作项目（2014DFE60170），国家自然科学基金项目（61474065和 61504069），天津市自然科学基金项目（17JCYBJC41400）和教育部“111”引智计划项目（B16027）的经费支持。 作者简介 姓名黄茜 主要研究方向薄膜光伏材料与器件；第三代太阳电池 Email carolinehqnankai.edu.cn 通信地址天津市南开区卫津路94号，光电子薄膜与器件研究所 邮政编码300071