透明导电电极对钙钛矿-硅叠层太阳能电池性能的影响

牛津大学的一位研究人员发现，透明导电电极可使钙钛矿-硅叠层太阳能电池效率降低超过2%，损失与电阻、光学效应和几何因子权衡有关。科学家通过统一的光学-电气模型，展示了对TCE堆栈、涂层和单元设计的细致优化对于实现效率37%至38%至关重要。

HJT-钙钛矿串联电池在德国勃兰登堡牛津光伏工厂生产中。图片来源：牛津PV消息来源：pv-magazine.com, Joule

牛津大学（University of Oxford）的一位研究人员研究了透明导电电极（TCE）对钙钛矿-硅叠层太阳能电池性能的影响，发现这些电极会显著降低器件效率。

TCE预计将在决定叠层电池能否实现从当前34%效率到预期37%–38%效率边界的剩余差距中发挥决定性作用。

“我们的研究提供了首个量化得叠层光伏损失的框架，展示了即使是最好的叠层设计，由于TCE相关效应，性能也可能下降超过2.5%，”该研究的主要作者Sebastian Bonilla告诉pv magazine。“这些见解对于制造商和研究人员，旨在将叠层从实验室单元扩展到商业模块至关重要。”

Sebastian Bonilla

Ruy Sebastian Bonilla 1 1, * Department of Materials, University of Oxford, Oxford OX1 3PH, UK *Correspondence: sebastian.bonilla@materials.ox.ac.uk https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102211

他接着说：“使用透明导电电极（TCE）虽然常被认为是理想的，但可能会引入电阻和光学损耗，显著降低叠层模块的实际效率，”他继续说道。“其实际部署仍面临被低估的障碍。”

在发表于Joule期刊的论文《The impact of transparent conducting electrodes on tandem solar cell efficiency》中，Bonilla解释说，当前的光学建模无法量化TCE的横向电阻，尤其是在双面或前光照配置中。此外，TCE板材电阻、指距和金属遮蔽之间的几何相互依赖性，产生了根本限制功率输出的权衡，但很少反映在实际效率计算中。

基于此，Bonilla提出了一个统一的光学-电气模型，考虑了双端钙钛矿-硅叠层太阳能电池设计中的这些因素。考虑了不同的TCE堆栈以评估潜在的传输损耗，同时还包括防反射涂层、溅射缓冲层和优化的指距。

利用基于Python的电子电路仿真框架PySpice，科学家实现了一个电路模型，实现了材料属性的灵活参数扫描，包括饱和电流密度、复合二极管参数和电阻损耗。Bonilla说：“这种建模适用于任意两种太阳能吸光层，但我将其应用于钙钛矿-硅叠层电池，因为它们成熟且具有商业价值。”

串联效率随 TCE WAT 和 R_sh 变化的情况 (A) 任意组合的 TCE 透光率和片电阻的实际限制。(B)评估了带有和不带有厚度优化抗反射涂层的 ITO 薄膜。颜色图比例适用于 (A) 和 (B) 两者。

分析显示，仅有一TCE的叠层器件效率损失可达2%。而叠层电池通常采用中间或者背TCEs，这进一步降低性能。据Bonilla称，这些损失与实验结果一致，显示在氧化铟锡沉积、抗反射涂层或原子层沉积屏障层中微调，直接导致先进叠层电池的性能可测量提升。

“这些见解对于制造商和研究人员，旨在将叠层电池从实验室单元扩展到商业模块至关重要，”Bonilla总结道。“研究结果还凸显了材料创新和设计协同优化的机会，以确保未来高效叠层电池在实际应用中发挥全部潜力。”