ペロブスカイト/シリコンタンデムセル：8nm ITOインター···

2026-07-20
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ペロブスカイト/シリコンタンデムセル：8nm ITO相互接続層で31.80%の効率を達成

製品紹介

モノリシックペロブスカイト/シリコンタンデム太陽電池は、単接合デバイスの効率限界を超える最も明確な経路の一つです。トップセルとボトムセルは再結合インターコネクト層を介して直列に接続されており、その界面の品質がキャリアの輸送と再結合がスムーズに行われるかどうかを決定します。問題は、シリコンヘテロ接合（SHJ）ボトムセルのマイクロピラミッドテクスチャ表面にあります。ピラミッドは約600 nmの高さで、その地形では再結合層が光学的寄生損失を受け、自己組織化単分子膜（SAM）が均一に広がりません。時間の経過とともに、これがデバイス性能を低下させます。

この研究では、2〜30 nmの厚さの酸化インジウムスズ（ITO）インターコネクト層を測定し、超薄型の8 nm層が光学的損失の低減と表面電位均一性の向上の両方で最適であることを発見しました。NiOx修飾とPoly-SAM機能化を積層した後、短絡電流密度は0.85 mA cm⁻²増加して20.82 mA cm⁻²に達し、電力変換効率は31.80%に達し、500時間の最大電力点追従後もデバイスは初期効率の96%を維持しました。

実験方法

SHJボトムセルは、110 ± 10 µm厚のn型シリコンウェーハを使用し、KOHで両面テクスチャリングして約600 nmのピラミッドを形成しました。RCA洗浄後、PECVDでパッシベーション層とドープ層を順に堆積しました：前面には8 nmの真性a-Si:H(i)と15 nmのn型nc-SiOx:H(n)、背面には8 nmのp型a-Si:H(p)、その後110 nmのITOをスパッタし、背面に700 nmのAgを蒸着しました。前面には、2、5、8、10、20、30 nmの6種類のITOインターコネクト厚を別々に堆積し、180°Cでアニールし、レーザースクライブしました。

ペロブスカイトトップセルはこの経路に従いました。ボトムセルは最初にアニールとUVオゾン処理を行い、次にNiOxをマグネトロンスパッタリングで堆積し、その後再度アニールとUVオゾン処理を行いました。窒素グローブボックス内で、Poly-SAMをスピンコートし（0.5 mg mL⁻¹、溶媒はメタノールとクロロベンゼンを1:1で混合）、100°Cでアニールしました。ペロブスカイトはCs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅₅Br₀.₂₅₅)₃で、バンドギャップは1.68 eVであり、2段階でスピンコートし、高速段階でクロロベンゼンを逆溶媒として滴下し、100°Cで20分間焼成しました。表面をPDADIで調整し、次にC₆₀を熱蒸着し、SnO₂をALDで成長させ、45 nmのIZOをスパッタリングし、Ag電極を蒸着し、最後にMgF₂反射防止膜でスタックを覆いました。

技术优势

ITOインターコネクト層の光電子特性

ITO層の厚さにわたるシート抵抗、キャリア濃度、移動度、光吸収、KPFM表面電位

(a) 厚さに対するRsh、Ne、µ（n = 10）；(b) ITO層の光吸収率と反射率；(c) 厚さに対する仕事関数；(d) 異なる厚さでのNiOx処理前後の仕事関数シフト（ΔWF）；(e) NiOx修飾ITO上のSAM分布の模式図；(f) 2〜30 nmのインターコネクトITOのKPFM表面電位マップ；(g) NiOxおよびPoly-SAM官能化前後の8 nmインターコネクトITOのKPFM表面電位マップ。

ホール効果測定により、膜厚が増加するにつれてシート抵抗が低下することが示されました。これは予想通りです。キャリア濃度は8〜30 nmの間でほぼ安定しており、約2.8〜3.5 × 10²⁰ cm⁻³でしたが、8 nm未満になると低下し始めます。移動度は2〜8 nmの狭い範囲でわずかに低下しただけで、膜の完全性がまだ保たれていることを示しています。8 nmは、シート抵抗が十分に低く、電気的性能が崩れていない最適なポイントに位置しています。

テクスチャードc-Si上の8 nm ITOのO 1s XPSフィッティング、NiOx修飾XPS、断面SEMおよびEDSマッピング

(a) テクスチャードc-Siボトムセル表面上のITO層のピークフィットO 1s高分解能XPSスペクトル。(b) NiOx修飾前後のテクスチャードc-Siボトムセル上の8 nm ITO層の高分解能XPSスペクトル。(c) テクスチャードc-Siボトムセル上の8 nm ITO層の断面SEM画像。(d) 8 nm ITOサンプルの焦点領域に対応するEDS元素マップ。右上に色と元素の凡例があります。

光学的には、ITOを薄くすることで、450 nm以上での反射率と吸収率の両方が低下しました。これは、破壊的干渉と自由キャリア吸収の弱まりによるものです。

UPSは、膜厚が薄くなるにつれて仕事関数が上昇し、NiOx修飾とアニーリング後、仕事関数のシフトは8 nmでピークに達することを示しました。
KPFM面積スキャンにより、10 nm未満のITOが局所的なシャント点をすべて抑制し、8 nmで最も均一性が高いことが明らかになりました。
XPSは興味深い詳細を明らかにしました。8 nmのITO表面は20 nmのものよりも高い水酸基密度を有し、これらの水酸基はNiOxとIn─O─Ni架橋結合を形成し、NiOxをより均一に広げ、より強固に付着させました。修飾後、Inシグナルは完全に消失し、これはカバレッジ層の品質が優れており、その後のSAM自己組織化のための良い基盤を築いたことを示しています。
SEMとEDSも、8 nmのITOがテクスチャ上にコンフォーマルな被覆を提供することを確認しました。

タンデムセルの光起電力性能

ITO上のタンデムセルのJsc、Voc、FF、PCEトレンド、断面SEM、XRD、PLおよびTRPL

(a) ペロブスカイト/シリコンタンデムセルにおけるJscの変化; (b) Vocの変化; (c) FFの変化; (d) PCEの変化; (e) ITO上のタンデムセルの断面SEM画像; (f) ITO上のペロブスカイト膜のXRDパターン; (g) ITO上のペロブスカイト膜の定常状態PLスペクトル; (h) 正規化された定常状態PL曲線; (i) ITO上のペロブスカイト膜の過渡TRPL減衰スペクトル; (j) タンデムセルのフォトルミネッセンス画像、活性面積0.928 cm²。

6つのITOインターコネクト厚さすべてについてJ-V試験を実施しました。

5 nm未満では、VocとFFが大幅に低下しました。Vocは1.7 Vを超えることができず、PCEはわずか21.68%でした。これは主に、ピラミッドテクスチャ上で膜がすでに不連続だったためです。
8 nmが最適な答えでした。断面SEMは、超薄型ITO（10 nm未満）上でペロブスカイトの結晶粒がより大きく緻密であることを示し、XRDはより良い結晶品質を確認しましたが、5 nmサンプルではPbI₂ピークが現れ、劣化がすでに始まっていることを示しました。定常状態PL強度は30 nmから8 nmまで上昇し続け、その後再び低下したため、8 nmはちょうどピークに位置し、最も低い欠陥密度と一致しました。
正規化されたPL特性ピークはシフトせず、界面の非放射再結合の性質が同じままであることを意味します。TRPLキャリア寿命も8 nmで最長でした。これらの結果は、Poly-SAMがもたらすより強い正味の双極子とより均一な仕事関数に由来し、VocとFFを一緒に引き上げます。PLイメージングはまた、ペロブスカイトサブセル内部のサブミクロンの不均一性を明らかにしましたが、超薄型高抵抗ITO層は高い横方向抵抗率を有するため、局所的なシャントの到達範囲は効果的に封じ込められ、デバイス全体を引き下げることはありませんでした。

電流密度の改善

8 nm ITO下でのペロブスカイトおよびシリコンサブセルのEQE曲線、ならびに初期および最適化されたタンデムEQE

(a) 8 nm ITOインターコネクト層下でのペロブスカイトおよびシリコンサブセルのEQE曲線；(b) 初期および最適化されたタンデムセルのEQE曲線。

前面IZO層は、性能指数Aw × Rsheet⁻¹によって評価され、45 nmが最適であることが判明した。インターコネクトITOを20 nmから10 nm、8 nmへと薄くすることで、平均Jscは19.78から19.96、20.55 mA cm⁻²へと向上した。ペロブスカイトおよびシリコンサブセルのEQE積分電流密度はそれぞれ20.64および20.51 mA cm⁻²であり、J-Vデータと一致した。20 nm ITOと比較して、8 nmではペロブスカイトサブセルで0.06 mA cm⁻²、シリコンサブセルで0.47 mA cm⁻²の追加が得られ、シリコンボトムセルからの近赤外線寄与が最も大きく向上した。

製品応用

デバイス性能と安定性

タンデム構造の模式図と写真、断面SEM、単接合J-V、チャンピオンJ-V、Rsトレンド、MPPT結果

(a) ペロブスカイト/シリコンタンデム太陽電池の模式構造と写真；(b) タンデムセルの断面SEM画像；(c) 単接合ペロブスカイトおよびシリコンサブセルのJ-V曲線；(d) 高性能セルの代表的なJ-V曲線；(e) 30 nmから2 nmのITOインターコネクト層上に構築されたペロブスカイト/シリコンタンデムセルにおけるRsの変化；(f) 1太陽照明下での封止タンデムセルのMPPT試験結果。

ITOインターコネクト厚を調整した後、タンデムデバイスの平均PCEは28.64%から30.67%に上昇した。2 nm ITOでは直列抵抗Rsが41.26 Ωと高く、直列接続が実質的に断たれていた。8 nmではRsが大幅に低く、内部インピーダンスが低下し、最大出力点付近での電圧損失が縮小した。安定性に関しては、8 nm ITOタンデムセルは500時間のMPPT後に初期PCEの96%を維持したのに対し、20 nmのものは90%しか維持できず、TCO/SAMインターコネクトファミリーの中で最も安定したものの一つとなった。なぜこれほど安定しているのか？Poly-SAM被覆率が高く、それに伴ってペロブスカイトの結晶化も向上するためである。

SAMで覆われた領域は表面エネルギーが低く、ホスホン酸基がPb²⁺およびFA⁺と配位し、ペロブスカイトがゆっくりと秩序正しく成長するように導くため、結晶粒は大きくなります。裸のITO領域ではそのようなテンプレート効果がなく、核形成は速く無秩序に進行し、結晶粒は小さくなり、粒界が多くなります。さらに、Poly-SAMは界面の不飽和結合とハロゲン化物空孔を不動態化し、ハロゲン化物の移動が抑制され、劣化が遅くなります。超薄型ITO自体がもたらす均一な表面電位も役立ち、いくつかの要因が重なることでデバイスの寿命が向上します。

ここでのMPPT安定性試験は、3A+グレードのLEDソーラーシミュレーターをエージング光源として使用し、セル温度と周囲雰囲気を複数の方法で制御して、長期安定性試験を実施します。

結論と展望

8 nmは、ペロブスカイト/シリコンタンデムセルにとって最適なITO相互接続層の厚さです。この厚さは、ペロブスカイトの結晶品質を向上させると同時に、寄生吸収を抑えます。NiOx修飾とPoly-SAM官能化の後、表面電位はより均一になり、仕事関数のシフトはより顕著になります。8 nmのITO表面はより多くの水酸基を有し、NiOxは均一に広がり、SAMは密に充填され、テクスチャー上のコンフォーマルな被覆はSEMおよびEDSによって確認されました。従来の20 nm ITOと比較して、最適化されたデバイスは31.80%のチャンピオン効率を達成し、Jscは0.85 mA cm⁻²向上し、500時間のMPPT後も初期効率の96%を維持しました。

今後も改善の余地は十分にあります。背面テクスチャーと光学反射鏡をさらに改良して、シリコンボトムセル内の光閉じ込めを強化し、その電流を高め、電流マッチングを確実にすることができます。FFとVocは依然として全体効率を制限するボトルネックであるため、コンタクト不動態化戦略をさらに深める必要があります。シリコンベースのトンネル接合などの代替相互接続アーキテクチャも試す価値があります。生産規模への拡大に関しては、TCOの厚さとメタライゼーショングリッドの設計を一緒に調整して、大面積で遮光が重くなりすぎず、横方向の導電性が損なわれないようにする必要があります。また、層が薄くなるとインジウムの使用量が減るため、持続可能性の面でもメリットがあります。

Ooitechの見解

ここで際立っているのは、わずか数ナノメートルのITOが、その600nmのピラミッドテクスチャ上で光学特性と結晶化の両方を左右できるという点です。そして、その同じコンフォーマルカバレッジの問題は、タンデムラインがラボのクーポンからフルサイズのモジュールに移行するときにまさに現れるものです。生産現場では、タバーストリンガー、レイアップ、ラミネーションの各工程が、これらの脆弱なインターコネクトとSAM界面を尊重しなければならず、そこが均一で調整の行き届いたモジュールライン設備の価値を発揮する場です。これらのプロセスが実際の工場規模でどのように見えるかを確認したい場合は、OoitechのYouTubeチャンネルをご覧ください。 www.youtube.com/ooitech をフォローする価値があります。