用于锗热光伏电池选择性接触的透明氢掺杂氧化铟层的制备与表征

《ACS Applied Energy Materials》：Development and Characterization of Transparent Hydrogen-Doped Indium Oxide Layers for Use in Selective Contacts of Germanium Thermophotovoltaic Cells

氢掺杂氧化铟（IOH）作为晶态锗光热光伏（TPV）背接触材料的研究。通过射频溅射制备IOH薄膜，优化氧和氢流量（20 sccm/80 sccm），获得最低电阻率0.39 mΩ·cm和载流子迁移率130 cm2·V?1·s?1。电化学和光学表征显示，IOH的红外吸收（2.5-16 μm）仅6.1%，显著低于ITO的15.9%，且载流子浓度低至0.8×102? cm?3。数值模拟表明，IOH/Ag接触的出带反射率提升至91.1%，较ITO/Ag（85.6%）反射功率增加10%。IOH的高迁移率与低吸收协同作用，为TPV器件提供了新型低阻高反射背接触解决方案，同时适用于太阳能电池和红外探测器等光电应用。

　　本研究探讨了氢掺杂氧化铟（IOH）在热光伏（TPV）技术中的应用潜力。TPV技术是一种利用热辐射将热能转化为电能的创新方法，广泛应用于热能转换、太阳能利用、废热回收以及航天领域等。热源通常维持在1000 K至2500 K之间，发出的光谱峰位于更长的波长区域，与标准光伏技术使用的太阳光谱不同。因此，TPV设备需要具有更小带隙的材料，以适应这种宽波段的辐射，同时有效减少非带隙波段（OOB）光子的吸收，以提高能量转换效率。

在TPV技术中，晶体锗（c-Ge）因其理想的带隙（0.66 eV）、较低的成本以及已有的市场基础，被认为是极具前景的材料。然而，其性能受到后接触层对红外光反射能力的限制。为此，研究者提出使用过渡金属氧化物（TMOs）结合银镜的后接触结构，以提高OOB光子的反射效率。而传统使用的氧化铟锡（ITO）虽然具有良好的导电性，但其较高的自由载流子吸收（FCA）会显著降低反射性能，从而限制了TPV效率。

为了解决这一问题，本研究提出使用IOH替代ITO作为后接触层。IOH具有较低的FCA和相似的电阻率，这是因为其较低的载流子浓度和较高的载流子迁移率。通过磁控溅射技术，研究者成功制备了IOH薄膜，并对其进行了形貌、电学和光学性质的全面表征，特别是在近红外（NIR）和中红外（MIR）波段的光学特性。研究发现，优化后的IOH薄膜电阻率可低至0.39 mΩ·cm，而其在2.5至16 μm波长范围内的吸收率仅为6.1%，远低于ITO的15.9%。这一显著的性能提升为IOH在TPV应用中的潜力提供了有力证据。

在实验过程中，研究者采用不同的沉积参数，包括氧气和氢气的流量，来优化IOH薄膜的电学和光学性能。通过系统的电学测量，如四点探针（4PP）和霍尔效应测试，研究者确定了在特定流量条件下，IOH薄膜的载流子迁移率和电阻率达到最佳平衡。在沉积后，IOH样品经过200°C的退火处理，以进一步改善其结构和性能。退火处理不仅促进了晶粒的生长，还提高了薄膜的均匀性和导电性，从而优化了其光学反射特性。

光学表征方面，研究者利用紫外-可见-近红外（UV–vis-NIR）分光光度计和傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪对IOH和ITO薄膜进行了详细的分析。研究发现，IOH在可见光范围内的吸收率较低，而在红外波段表现出更优的反射性能。此外，通过椭偏仪测量，研究者获得了IOH薄膜的复折射率数据，进一步支持了其在TPV应用中的优势。这些结果表明，IOH不仅在电学性能上优于ITO，而且在光学反射性能方面也表现出显著的改进。

为了评估IOH在TPV系统中的实际应用效果，研究者进行了光学模拟，分析了Ge基底与IOH或ITO后接触层结合银镜的结构对反射功率的影响。模拟结果显示，使用IOH的结构能够显著提高反射功率，从而减少热源的热量损失并提升整体效率。与ITO相比，IOH的OOB反射率达到了91.1%，而ITO仅为85.6%。这一结果表明，IOH在TPV系统中具有更高的反射效率，能够更有效地将非带隙波段的光子反射回热源，提高能量转换效率。

然而，研究者也指出，IOH在某些情况下可能表现出更高的吸收率，尤其是在较长的红外波段。这主要是由于其较高的载流子浓度，尽管其迁移率较高，能够部分抵消这一影响。此外，IOH薄膜的厚度对反射性能也有重要影响，较厚的薄膜可能增加其对光的吸收，从而降低反射效率。因此，在实际应用中，需要找到合适的薄膜厚度和沉积参数，以实现最佳的性能平衡。

研究还提到，IOH与MoOx等其他材料的结合存在一定的挑战。例如，IOH在溅射过程中可能对MoOx层造成损伤，而MoOx层对退火处理较为敏感。因此，进一步的研究需要关注这些界面效应以及退火条件对IOH性能的影响。此外，研究者还指出，IOH在其他应用领域如太阳能电池和红外光电探测器中也具有潜在价值，因为其高导电性和低红外吸收特性可以提高设备的性能。

综上所述，本研究通过系统的实验和模拟，证明了IOH在TPV应用中的优越性。尽管IOH在某些情况下可能不如ITO具有最低的电阻率，但其在红外波段的低吸收率和高反射率使其成为一种更有前景的后接触材料。未来的研究需要进一步优化IOH与MoOx和银镜的结合，以实现更高效的TPV系统。同时，IOH在其他需要高导电性和低红外吸收的领域也展现出广阔的应用前景。