2026, Vol. 47
晶硅异质结（heterojunction, HJT）电池作为第三代高效光伏技术的代表，凭借其低温工艺兼容性、高开路电压及优异的温度系数，正逐步颠覆传统钝化发射极和背面电池（passivated emitter and rear cell, PERC）与隧穿氧化层钝化接触（tunnel oxide passivated contact, TOPCon）电池技术的市场格局[1-3]。其核心优势源于非晶硅/晶体硅（amorphous silicon/crystalline silicon heterojunction, a-Si/c-Si）HJT结构的创新设计：通过低于200 ℃的低温制造，规避了高温工艺导致的晶格畸变与热损伤，利用氢钝化非晶硅层将界面悬挂键密度控制在1010 /cm2量级，显著抑制载流子复合，使少子寿命延长至5 ms以上[4-5]。这一特性不仅支撑硅片厚度减薄至120～130 μm（材料损耗减少15%～20%），还通过双面对称结构与低温应力释放机制，实现薄片化硅片的机械良率超98%。HJT电池的温度系数（−0.24%/℃）较PERC的（−0.35%/℃）大幅优化，在高温环境（>40 ℃）下的年等效发电增加61 h[6-7]，凸显其高温工况下的性能优势。
HJT电池的效率极限与产业化进程高度依赖透明导电氧化物（transparent conductive oxide, TCO）层的功能特性。TCO层需在导电性、光学透过率及界面稳定性间实现精密平衡。当前主流的掺钨氧化铟（tungsten-doped indium oxide, IWO）靶材凭借高达45～50 cm2/（V·s）的迁移率与宽光谱响应（在400～1 200 nm时平均透射率>89%），成为载流子横向传输与光管理协同优化的首选[8-9]。研究表明，通过多层TCO结构设计，可将反射率从8.7%降至2.7%，并利用等离子体波长红移抑制近红外吸收，使800 nm波段量子效率提升12%，短路电流密度（Isc）增加1.2 mA/cm2[10]。TCO层性能提升仍面临多重挑战：铟基材料[如氧化铟锡（indium tin oxide, ITO）]的资源约束（全球铟储量仅5.6万t）、非铟替代材料[掺铝氧化锌（aluminum-doped zinc oxide, AZO）/掺锑氧化锡（antimony-doped tin oxide, ATO）]的接触电阻率劣化（>150 mΩ·cm2），以及湿热环境下界面缺陷导致的效率衰减（如AZO结构湿热老化后衰减达58.57%）[11-12]。
为突破上述瓶颈，近年来学术界与产业界围绕TCO靶材的量子力学特性、界面工程及制备工艺展开了系统性研究。在材料设计层面，六价态元素（W6+/Mo6+）掺杂通过轨道杂化降低载流子有效质量，IWO靶材迁移率突破100 cm2/（V·s）；氢化非晶硅（hydrogenated amorphous silicon, a-Si∶H）与纳米晶硅（hydrogenated nanocrystalline silicon, nc-Si∶H）的晶化度调控将接触电阻率优化至10 mΩ·cm2。在工艺革新方面，反应等离子体沉积（reactive plasma deposition, RPD）技术通过低能粒子沉积（<30 eV）实现晶格匹配，IWO薄膜迁移率达150 cm2/（V·s），但其设备成本与靶材利用率（<40%）制约了规模化应用[13-14]。物理气相沉积（physical vapor deposition, PVD）技术凭借其高沉积速率（10～20 nm/min）与国产化设备（1GW成本4.5亿元）占据产业化主流，旋转靶材与闭环回收技术（铟回收率超过98%），进一步缓解了资源压力[15-16]。
本文系统综述HJT电池中TCO层的功能机制、靶材技术演进及产业化路径。首先解析a-Si/c-Si的界面特性与载流子传输动力学，阐明TCO层在电学−光学协同中的作用；对比ITO、IWO、AZO等靶材体系的性能极限与经济性差异，揭示铟基材料替代路径的技术瓶颈；进一步探讨双面微晶结构、原子层沉积（atomic layer deposition, ALD）界面钝化等前沿技术对效率提升的贡献；基于机器学习辅助设计与卷对卷（roll-to-roll, R2R）工艺集成，展望无铟化、高迁移率靶材的未来发展方向。本文通过多尺度关联分析，旨在为HJT电池的靶材创新与产业化生产降低成本提供理论框架与技术路线参考。
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图 1 光伏发电原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of photovoltaic power generation principle |
HJT电池通过低温（低于200 ℃）工艺规避高温晶格畸变，等离子体增强化学气相沉积（plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD）的非晶硅钝化层将界面悬挂键密度控制至1010 cm−2·eV−1量级，复合速率降低两个数量级，同步推动硅片薄片化至120～130 μm（较PERC的减薄30%），材料损耗减少15%～20%。双面对称结构与低温应力释放机制保障薄片化良率大于98%，其−0.24%/℃温度系数源于宽禁带非晶硅层（Eg≈1.72 eV）的热载流子复合抑制效应，配合低阻（<20 Ω/□）TCO层使高温环境功率损失较PERC的降低30%～40%，年等效发电增益达61 h[3-5]。产业化层面，6～8道短制程使单GW设备成本降至4.5亿元（降幅达15%），国产化设备推动单位投资3年内下降50%。量产效率为25.6%～26.2%，逼近理论极限（28.0%）[17-18]，双面微晶技术优化开路电压（open-circuit voltage, Voc）至750 mV以上，无主栅技术（zero busbar, 0BB）技术结合超低阻TCO（<15 Ω/□）提升填充因子（fill factor, FF）至85%，钙钛矿/硅叠层电池实现30%效率潜力，同步兼容柔性基板轻量化与光伏建筑一体化集成，人均产出为7.2 MW/（人·年），较PERC的提升60%[19]。
1.2 HJT电池结构解析 1.2.1 典型叠层结构：a-Si/c-Si界面特性HJT电池以N型单晶硅为基底，通过a-Si∶H与c-Si形成非对称HJT。本征非晶硅层（intrinsic hydrogenated amorphous silicon, i-a-Si∶H）厚度5～10 nm，通过氢原子钝化c-Si表面缺陷，将界面态密度控制在1×1010 cm−2/eV以下；掺杂非晶硅层（p/n-type hydrogenated amorphous silicon, p/n-a-Si∶H）厚度3～5 nm，通过硼/磷等离子体掺杂形成内建电场，载流子迁移率达10～15 cm2/V·s。a-Si/c-Si界面能带弯曲（ΔEv≈1.2 eV）促进空穴隧穿传输，同时抑制俄歇复合，使少子寿命延长至5 ms以上。采用氢等离子体后处理的界面可将接触电阻率从156 mΩ·cm2降至23 mΩ·cm2，FF提升3.8%[1-3]。
该HJT结构的卓越性能源于其独特的能带对齐机制。i-a-Si∶H与c-Si形成的是所谓的“Type-II”或“staggered”型HJT。在界面处，c-Si的导带底（Ec）高于i-a-Si∶H的Ec，而价带顶（Ev）则低于i-a-Si∶H的Ev，此能带偏移构成了载流子传输的动力学基础[20]。其中，较大的价带偏移（ΔEv≈1.2 eV）为空穴从c-Si向p-a-Si∶H层的传输提供了极高的势垒，有效阻挡了电子向p端的反向扩散；同时，较小的导带偏移（ΔEc≈0.15 eV）则允许电子顺利通过至n-a-Si∶H层[21]。这种非对称的能带结构实现了载流子的选择性通过，极大抑制了界面处的复合损失，是获得高Voc和长少子寿命的根本物理原因。氢化处理进一步饱和了界面悬挂键，将界面态密度降至极低水平，减少了复合通道，优化了能带弯曲，从而降低了接触电阻率[22]。
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图 2 HJT电池结构示意图 Fig. 2 Schematic diagram of HJT cell structure |
TCO层需平衡导电性与透光率。IWO因其高迁移率[45～50 cm2/（V·s）]和宽光谱透过率（400～1 200 nm平均透射率>89%）成为主流选择[9, 13-14]。TCO层通过以下机制实现双重功能：①载流子横向传输：通过载流子浓度梯度[N = （1～3）×1020 cm−3]降低串联电阻（Rs<0.5 Ω·cm2）；②光学调控：多层TCO结构（如ITO/ZnO/ITO）通过折射率渐变（2.0→2.3）将反射率从8.7%降至2.7%，并利用等离子体波长红移抑制近红外吸收。采用梯度TCO设计的HJT电池在800 nm波段量子效率提升12%，Isc增加1.2 mA/cm2 [1, 23-24]。
TCO层的双重功能基于以下物理机制：（1）电学传输的物理基础：其导电性由载流子浓度（N）和迁移率（μ）共同决定，电阻率 ρ = 1/（Neμ）。高μ允许在较低N下获得高电导率，而低N意味着自由载流子对光（尤其是近红外光）的吸收更弱，这是实现高导电高透光协同的关键[25]；（2）光学管理的物理原理：TCO的透光率受带间吸收（紫外区）和等离子体边缘（近红外区）限制。通过掺杂将等离子体波长红移至1 200 nm，可在可见光区获得高透射。多层梯度结构则利用光干涉相消原理，通过控制各层折射率和厚度，在特定波段（如400～1 200 nm）极大降低反射率[26]。
1.3 TCO层的多功能协同与权衡分析TCO层在HJT电池中扮演着多重角色，其最终性能是电学、光学与界面稳定性之间复杂相互作用的结果，要实现效率极限的突破，必须系统性地理解并优化这些功能维度之间的协同与权衡关系，这构成了TCO靶材研究的核心挑战与机遇[27]。其中最核心的制约关系是电学−光学的内在权衡，即根据Drude模型，提高载流子浓度可降低电阻率，但根据Burstein-Moss效应，载流子浓度的提高会导致等离子体边缘蓝移，增加自由载流子吸收，从而降低近红外透光率，因此提升迁移率成为打破此权衡的关键，使TCO能在较低载流子浓度下实现高电导，同时维持高透光[25]。
另一方面，电学−稳定性的权衡表现为高电导率常需高掺杂，但过量的掺杂剂可能引入晶格缺陷，或在湿热环境下发生偏聚、迁移，导致TCO层或TCO/a-Si界面性能衰减（如AZO的电阻率漂移），这要求寻找最佳掺杂窗口，以平衡电学性能和环境稳定性[28]。同时，光学−界面机械稳定性的权衡也不容忽视，为优化光学性能（如减反）而设计的复杂多层膜结构，可能因各层材料热膨胀系数不匹配而在沉积或服役过程中产生巨大内应力，导致薄膜龟裂或脱落，这需要通过材料匹配（如晶格常数、CTE相近）和工艺优化（如梯度退火）来缓解[29]。最终的协同优化路径是通过材料创新（如高迁移率IWO）、结构设计（如梯度掺杂、超晶格）和先进工艺（如低温沉积、原位退火），在上述多维权衡中寻找帕累托最优解，实现低方阻、高透光、高稳定性的统一[30]。
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表 1 HJT电池技术参数对比 Tab. 1 Comparison of HJT cell technical parameters |
HJT 电池TCO的性能优化需围绕载流子迁移率、界面接触电阻率及光学透射率的多维调控展开。在迁移率提升方面，量子力学模型揭示晶格散射抑制与能带结构优化的核心作用，通过掺杂元素轨道杂化（如W6+掺杂In2O3诱导导带色散增强）降低载流子有效质量，结合固相结晶法调控晶粒尺寸至35 nm以上，使In2O3∶H薄膜迁移率达160 cm2/（V·s），验证晶界密度降低对散射抑制的贡献[34-35]。
接触电阻率的优化则依赖界面缺陷态钝化与能带匹配，氢等离子体后处理通过修复悬挂键使非晶硅/TCO界面接触电阻率从156 mΩ·cm2降至23 mΩ·cm2，而ALD技术构筑的Al2O3/MoOx叠层结构结合超薄LiF缓冲层（1～2 nm），进一步将空穴接触电阻率压缩至15 mΩ·cm2，并抑制湿热环境下的界面退化[31-33]。光学性能提升聚焦等离子体频率调控与缺陷工程，掺钨氧化锡（SnO2∶W）通过载流子浓度优化（1.02×1020 cm−3）使等离子体波长红移至1 200 nm以上，近红外吸收系数降低35%[35-36]，而ITO/ZnO/ITO多层梯度结构通过折射率渐变（2.0→2.3）与纳米柱阵列设计，将400～1 200 nm波段反射率抑制至2.7%，同步实现550 nm透射率>88%及近红外透射率>90%，氧空位浓度控制则有效规避自由载流子吸收损耗[10]。
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图 3 HJT太阳能电池能带 Fig. 3 The energy band of HJT solar cells |
TCO性能优化需协同解决导电−透光权衡、界面应力匹配及掺杂均匀性控制三大核心问题。Burstein-Moss效应揭示N对电阻率（σ）与透光率（T）的互斥作用，通过高迁移率材料[如ZnO∶Ta，μ = 70 cm2/（V·s）]在N = 3×1020 cm−3时实现σ = 3×10−4 Ω·cm与近红外透射率>80%[1, 37-38]。热膨胀系数失配引发的残余应力可通过梯度温度（150～250 ℃）沉积将压应力从−1.2 GPa降至−0.3 GPa，并利用Ce-H共掺杂In2O3的晶格膨胀（1.025 nm）使界面应力降低85%[39-40]。掺杂均匀性依赖磁控溅射工艺调控，旋转基板与脉冲溅射技术将电阻率波动从±15%压缩至±5%，而快速热退火（RTA，600 ℃/10 s）使ZnO∶Al掺杂分布均匀性达98%，结合在线等离子体发射光谱实时监测氢含量，实现界面电学性能与机械稳定性的同步优化[41]。
3 TCO靶材技术现状 3.1 主流靶材体系分类ITO作为PVD工艺的核心靶材，其性能与锡掺杂比例、晶格结构及工艺参数密切相关。当前主流的ITO配方体系包括
磁控溅射工艺的优化对ITO性能提升至关重要。例如，通过基板旋转速率调控至30 r/min，Sn掺杂的晶格畸变率可降低至0.12%，迁移率提升至45 cm2/V·s，方阻稳定在18 Ω/□以下[46]。此外，动态磁场设计可减少靶材表面局部过热现象，使薄膜厚度均匀性控制在±3%以内，显著提升GW级产线的良率。然而，ITO靶材的铟资源依赖性问题日益凸显。全球铟储量约5.6万t，其中95%为锌矿伴生资源，而光伏行业对铟的需求增速已超20%，推动无铟化技术成为研发重点[47-49]。
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图 4 溅射靶材工作原理示意图 Fig. 4 Schematic diagram of the working principle of sputtering target materials |
RPD技术通过高密度等离子体轰击靶材表面，实现原子级晶格匹配与低温（<200 ℃）工艺兼容。IWO是RPD工艺的代表性靶材，其晶格常数从1.012 nm增至1.025 nm，与非晶硅层的晶格失配度从7.2%降至2.8%，界面复合电流密度降低至50 fA/cm2。IWO薄膜的迁移率可达80～150 cm2/（V·s），较传统ITO的提升60%～200%，且在近红外波段（1 200 nm）吸收系数降低35%。
RPD技术的核心优势在于低能粒子沉积机制。通过空心阴极离子枪设计及磁场约束，粒子能量被限制在<30 eV，避免高能离子轰击导致的非晶硅层损伤。例如，在HJT电池中，RPD沉积的IWO薄膜在Voc指标上较PVD工艺的提升15～20 mV，实验室效率突破27.08%。然而，RPD设备沉积速率仅1～2 nm/min，靶材利用率低于40%，且设备依赖进口（如日本住友），单GW设备投资成本较PVD的高30%，制约其规模化应用[14, 49]。
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图 5 RPD镀膜原理示意图 Fig. 5 Schematic diagram of RPD coating principle |
无铟化趋势推动SnO2∶W体系接触电阻率优化至30 mΩ·cm2，但湿法铟提纯效率（98%）与成本仍待突破。未来技术聚焦原子级界面工程（如ALD-MoOx/ZnO叠层）及机器学习辅助高通量筛选，目标实现迁移率大于50 cm2/（V·s）以及近红外吸收系数小于1×104 cm−1，同步平衡光电性能与规模化生产可行性[31, 33]。
3.2 成本驱动型靶材铟基替代材料AZO/ATO体系面临性能瓶颈，表2给出了部分光电性能数据的对比。由表2可知：AZO虽具成本优势（铟耗降90%），但其接触电阻率（156 mΩ·cm2）导致填充因子损失3.8%，湿热环境（85 ℃/85% RH，1 000 h）下方阻增幅达58%；ATO迁移率小于25 cm2/（V·s）、近红外光透射率<75.0%，均难以满足高效HJT需求。ITO-AZO复合靶材通过界面工程实现折衷优化，底层ITO（10 nm）维持接触电阻率<30 mΩ·cm2，上层AZO（70 nm）使铟耗降低70%，双靶共溅射（功率密度比3∶1）形成载流子浓度梯度[（1～3）×1020 cm−3]，实现400～1 200 nm透射率89.5%、方阻稳定性<25 Ω/□，平准化度电成本降幅达2%，但刻蚀工艺兼容性与长周期可靠性仍需突破[40, 50]。
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表 2 TCO靶材性能对比 Tab. 2 Comparison of TCO target performances |
PVD与RPD在工艺经济性与性能指标上呈现显著差异。表3给出了PVD与RPD技术经济性对比：PVD磁控溅射以10-20 nm/min沉积速率实现14 400片/h的高产能（较RPD提升3倍），依托国产化设备（95%）与4.5亿元/GW的低投资成本占据产业化主流；而RPD虽沉积速率仅1～2 nm/min且依赖进口设备（1 GW成本高达30%），但其制备的IWO薄膜迁移率达80～150 cm2/（V·s），较PVD-ITO提升67%～233%，通过PVD/RPD叠层工艺（如ITO基底层+RPD功能层）可平衡高迁移率与规模化生产需求。靶材技术方面，旋转管靶将利用率从35%～40%提升至70%～80%，背溅射回收系统结合湿法提纯（盐酸浸出−电解）实现铟回收率98%与纯度5N级，R2R闭环工艺使GW级产线铟耗<1 mg/W（降幅90%）[39, 48-49]。当前技术瓶颈集中于无铟替代材料的界面缺陷控制及回收工艺的能效提升，需通过原子层掺杂与等离子体调控实现光电性能与资源可持续性的协同突破[14, 51-52]。
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表 3 PVD与RPD技术经济性对比 Tab. 3 Comparison of PVD and RPD technical and economic benefits |
双面微晶结构通过光子晶体效应与布拉格散射协同作用，显著提升HJT电池的光捕获效率。在晶体硅（c-Si）表面制备周期性纳米柱阵列（周期300～500 nm，高度150～200 nm），可将入射光的反射率从8.7%降至2.7%以下[1-3]。其物理机制包括：① 光子局域化效应，通过亚波长结构将光场限制在活性层内，光程长度增加3～5倍；② 布拉格散射优化，通过晶格匹配设计（如六方密堆积排列），增强近红外波段（800～1 200 nm）的散射效率，量子效率提升12%～15%。例如IWO薄膜结合梯度折射率设计（n = 1.9→2.3），可将1 200 nm波长透射率提升至92.0%，对应Isc增加1.2 mA/cm2。此外，双面微晶结构通过降低表面粗糙度（Ra<5 nm），减少载流子界面复合速率至103 cm/s量级，Voc提升15-20 mV[1, 13-14]。
载流子选择性接触的核心在于界面能带工程与缺陷态密度控制。通过引入高功函数（Φ）材料（如MoOx，Φ = 5.3 eV）作为空穴传输层，结合低功函数TCO（如ITO，Φ = 4.2 eV）作为电子传输层，可形成内建电场梯度，减少界面复合电流密度至50 fA/cm2以下。具体优化路径包括：① ALD技术制备超薄缓冲层（如厚度为1 nm的LiF），通过功函数调节（ΔΦ = 0.5 eV）降低接触电阻至15 mΩ·cm2；② 氢等离子体后处理，钝化非晶硅/晶体硅界面悬挂键，缺陷态密度从1012 cm−2·eV−1降至1010 cm−2·eV−1。实验表明，采用MoOx/ITO叠层设计的HJT电池，FF提升至88.3%，实验室效率突破26.6%[32-33]。
4.2 靶材性能的关键贡献高迁移率靶材通过降低载流子散射概率，显著提升电池的填充因子。其内在机制在于，迁移率的提升直接降低了TCO层的横向电阻以及TCO/非晶硅界面的接触电阻率，从而有效降低了电池的串联电阻（Rs）。根据电池理论，FF对Rs的变化极为敏感，Rs的降低将直接导致FF的提升[53]。以IWO为例，其迁移率可达150 cm2/V·s（较传统ITO提升200%），载流子浓度与方阻的协同优化使FF提升至85%以上。基于实验数据的回归分析表明，迁移率每增加10 cm2/V·s，FF线性增长0.8%～1.2%（R2 = 0.93）。例如，采用IWO靶材的HJT电池，FF从82.5%提升至86.1%，对应效率增益0.7%。此外，nc-Si∶H替代传统非晶硅接触层时，晶化度进一步降低串联电阻，FF额外提升3.8%[13, 54]。
尽管靶材创新与效率提升路径已取得显著进展，仍需解决以下瓶颈：① 铟基靶材的成本与资源限制，需加速无铟化进程；② 超薄缓冲层（<2 nm）的均匀性控制，要求溅射工艺的厚度波动<±3%；③ 多结电池的能带匹配难题，需开发宽带隙钙钛矿（Eg≈1.68 eV）与窄带隙硅（Eg≈1.12 eV）的协同吸光结构。未来技术突破将聚焦于机器学习辅助靶材设计、R2R沉积工艺集成，以及全光谱管理技术的产业化应用[42,55]。
5 结 论硅基HJT电池的技术演进高度依赖透明导电氧化物（TCO）靶材体系的创新。当前主流靶材中，IWO凭借其高迁移率[80～150 cm2/（V·s）]与宽光谱透射率（近红外>85%）成为性能标杆，通过等离子体调控（如RPD低温沉积）实现晶格失配度<2.8%，界面复合电流密度降至50 fA/cm2。然而，铟基靶材（ITO）的资源依赖问题推动无铟化技术加速发展，AZO/ATO体系虽成本优势显著（铟耗降90%），但受限于接触电阻与湿热稳定性（方阻增幅58%），需通过ITO-AZO复合靶材（铟耗降70%）与梯度掺杂技术实现性能折衷。靶材制备工艺的革新是产业化关键：PVD磁控溅射凭借高沉积速率（10～20 nm/min）与国产化设备主导量产，而RPD技术通过低能粒子沉积（能量<30 eV）实现IWO薄膜迁移率提升至150 cm2/（V·s），但受限于设备成本（较PVD高30%）与低靶材利用率（<40%）。
未来靶材研发需要突破三大挑战并探索对应可行的技术路径：首先针对铟资源约束与成本压力，根本路径是大力发展无铟化技术（如SnO2∶W、ZnO∶Ga），而短期内在铟基靶材上可通过旋转靶材设计、背溅射回收系统与湿法提纯工艺闭环结合，将铟回收率提升至98%以上，实现GW级产线铟耗低于1 mg/W，降幅达90%，从而显著缓解资源压力；其次对于无铟或复合靶材的界面接触电阻与稳定性问题，需借助原子层级的界面工程，例如采用ALD技术沉积超薄MoOx/ZnO叠层作为空穴传输和缓冲层，将接触电阻优化至小于30 mΩ·cm2，并有效抑制湿热环境下的界面降解；此外高性能与规模化生产的矛盾（如RPD的高迁移率与低沉积速率、高成本）可通过推广PVD/RPD混合工艺作为折衷方案，即PVD沉积基底层保证速率，RPD沉积功能顶层保证性能，长远看则需开发新型高离化率的磁控溅射技术或R2R沉积工艺，以实现高膜质、高速率、高靶材利用率的统一，从而推动产业化降本。通过上述针对性解决方案，并结合机器学习辅助高通量筛选与全光谱管理技术，靶材技术有望推动HJT及钙钛矿/硅叠层电池实现光电转换效率与度电成本的双重突破。
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