用于钙钛矿太阳能电池应用的 Zn1−xSnxO 和 Mg1−xSnxO 透明导电氧化物薄膜的开发

透明电极为何对太阳能至关重要

现代太阳能电池不仅将阳光转换为电能；它们还采用巧妙的材料，在允许光线穿透的同时传导电流。本研究考察了两种由丰富元素制成的透明导电涂层，目标是取代现有昂贵的行业标准，并支持更安全的无铅钙钛矿太阳能电池。

由常见金属构建的新型透明涂层

研究人员聚焦于透明导电氧化物——作为既能透光又能收集电荷的玻璃状前层，广泛应用于从手机屏幕到太阳能电池的各种器件。研究团队没有采用通常的铟基材料（昂贵且稀缺），而是将锡氧化物分别与锌或镁结合，制成两种替代材料。称为 ZTO 与 MTO 的这些新涂层采用一种简单的喷涂工艺制备，可在无需复杂真空设备的情况下覆盖大面积玻璃板。

喷涂、加热并调控薄膜

为制备涂层，团队将金属盐溶于醇类溶剂并将溶雾喷涂到加热的玻璃上，然后对薄膜进行高温烘烤。通过精确改变锌或镁与锡的配比并对薄膜退火，他们能够控制薄膜的厚度、晶体结构和内部缺陷。X 射线测量显示加热可以改善原子排列并减少缺陷，而电子显微镜则揭示退火后晶粒更规则、覆盖更平滑，这些都有助于电荷更容易传输。

在透光性与导电性间取得平衡

作为太阳能电池前层，材料必须既高度透明又高度导电，而这两项性质通常互相制约。光学测试表明，即使在为增强导电性而加厚之后，ZTO 与 MTO 薄膜在可见光范围内仍能透过约 76–80% 的光。同时，电学测量证实这些薄膜能有效传输负电荷，最佳的镁基薄膜表现出很高的载流子浓度和很低的电阻。加热处理略微收窄了薄膜的光学带隙并减少了不需要的化学基团，这些变化与更好的电荷传输相关，而不会过度牺牲透明性。

将新型层材整合到实际太阳能电池中

为评估这些涂层在实际中的表现，团队构建了简单的钙钛矿太阳能器件，使用无铅的氯化锡铯吸收层和低成本石墨背电极。该设计并非旨在刷新效率记录，而是为了清晰地突出前层涂层对器件性能的影响。当用新的 ZTO 与 MTO 层替代传统透明电极时，器件在标准光照下产生了可测的功率。采用 ZTO 的电池达到了约 3.5% 的功率转换效率，而采用 MTO 的电池则约为 6.4%，这主要归功于更强的电流和略高的电压。

对未来太阳能技术的意义

该研究表明，由锡和镁制成的透明导电涂层在光学清晰度上可与现有标准材料媲美，同时提供优异的电学性能并使用更丰富的元素。在两种测试选项中，镁基薄膜在工作钙钛矿太阳能电池中的表现更佳，主要因为它们在保持高透光性的同时拥有更高的导电效率。尽管这些器件尚未达到屋顶或电站级别的应用，但结果展示了通过可扩展的喷涂涂层方法走向更廉价、无铟且潜在更安全太阳能模块的可行路径。

引用: Kiruthiga, G., Kumar, M.S., Raguram, T. et al. Development of Zn_1−xSn_xO and Mg_1−xSn_xO transparent conducting oxide thin films for perovskite solar cell applications. Sci Rep 16, 15968 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42690-x

关键词: 透明导电氧化物, 钙钛矿太阳能电池, 喷雾热解法, 锡氧化物薄膜, 无铟电极