高雾度FTO基板透光率精准调控，钙钛矿太阳能电池效率提升新路径

高雾度氟掺杂氧化锡（FTO）玻璃基板的光学特性限制了钙钛矿太阳能电池 （ PSCs ）的短路电流密度 （ Jsc ） 和光电转换效率 （ PCE ） 。为精准量化基板的光学参数，本研究采用美能钙钛矿在线透过率测试机对FTO基板的透光率、反射率、雾度及表面粗糙度进行高精度表征。通过对比不同FTO基板的性能发现：高雾度、高粗糙度的FTO基板能显著减少NiOₓ/钙钛矿界面的光反射，通过多重反射增强钙钛矿层的光吸收，从而提升Jsc和PCE。

钙钛矿太阳能电池PSC制备

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本研究中使用的PSC结构为玻璃/FTO/NiOx(20 nm)/MAPbI3(400 nm)/PCBM(40 nm)/BCP(10 nm)/Ag(80 nm)，比较了三种不同FTO镀膜玻璃基底：FTO-N、FTO-A和高雾度FTO-HA。

FTO玻璃的光学与形貌特性

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(a)不同FTO玻璃的透光率(T)光谱;(b)不同FTO玻璃的雾度光谱

• 透光率与雾度对比

FTO-A在全波段透光率最高，FTO-HA因较高吸收导致透光率降低。FTO-HA的雾度显著高于FTO-N和FTO-A，表明其更强的光散射能力。

• 表面形貌与粗糙度

FTO-N、FTO-A、FTO-HA的SEM图像FTO-N、FTO-A、FTO-HA的AFM图像

 

SEM和AFM结果显示，FTO-HA表面粗糙度最大 （ RMS = 59 nm ），FTO-N最小（30 nm）。表面粗糙度与雾度正相关，高粗糙度通过亚波长结构增强光散射，减少反射损失。

高温工艺下的性能局限性

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高温工艺下不同FTO基板的PSCs性能统计:(a) Jsc (b)Voc (c) FF (d)PCE(a)高温工艺器件的IPCE光谱(b)高温工艺器件的J-V特性

 

FTO-A 和 FTO-HA 基板使 PSC 的Jsc分别提升至 20.83 mA / cm² 和 20.53 mA / cm²，较 FTO-N 的 18.90 mA/cm² 显著改善。

(a)沉积钙钛矿层前(b)沉积钙钛矿层后FTO基板的反射率(R)光谱

NiOₓ沉积高雾度FTO/钙钛矿界面处入射光多重反射示意图

 

入射光子 - 电流转换效率（IPCE）测试表明，高雾度基板通过减少界面反射，使 300-700 nm 波长范围内的光吸收效率提升，尽管 FTO-HA 的透射率最低，但其 IPCE 仍接近 FTO-A 水平。然而，高温退火导致 FTO-A 和 FTO-HA 的方阻从约 9 Ω/□骤增至 160 Ω/□以上，进而引起串联电阻Rs升高，导致填充因子（FF）下降，最终限制了 PCE 的提升。

低温工艺的突破

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低温沉积NiOₓ的PSCs的J-V特性

 

对高温工艺的局限性，采用 320°C 低温退火制备NiOx层后，FTO-A 和 FTO-HA 基板的方阻保持稳定，器件 FF 分别提升至 0.723 和 0.786，PCE 达到 16.0%和 17.1%。这一改进归因于低温工艺避免了 FTO 晶粒边界的载流子散射，同时减少了NiOx层厚度的不均匀性。实验表明，FTO-HA 因更大的粗糙度，使NiOx钙钛矿界面的光多次反射效应更强，从而在低温工艺中展现出最优的综合性能。高雾度氟掺杂氧化锡 FTO 基板通过表面粗糙度调控，在NiOx 钙钛矿界面形成高效抗反射结构，显著提升 PSC 的Jsc。尽管高温工艺下电阻增大限制了 PCE，但低温制备技术成功解决了这一问题，使 FTO-A 和 FTO-HA 基板在 16%-17% 的 PCE 水平下实现稳定性能。

美能钙钛矿在线透过率测试机

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钙钛矿太阳能电池的在线透过率检测设备是一种实时监测钙钛矿薄膜、透明氧化玻璃或组件光学透过率的系统，用于优化工艺、确保均匀性并提升电池效率。

• 精确度高：测量精度达到0.01%，能提供精确的透射比数据 
• 稳定性好：测量稳定性＜0.1%，在重复测试10次中能够提供稳定的数据，保证了测试结果的可靠性 
• 高效率与自动化：大面积扫描（如0.6m×1.2m基板）可在秒级完成

美能钙钛矿在线透过率测试机提供的核心光学数据支持实现了FTO基板透射率、雾度的高通量筛选与工艺实时监控，为抗反射设计的产业化落地提供了关键质量控制手段。

原文参考：Antireflection effect of high haze FTO for improving short circuit current density of perovskite solar cells 

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