10nm超薄薄膜省铟90%，性能还不打折扣？

摘要：铟资源成了“卡脖子”的难题，它作为透明导电薄膜（TCO）的核心原料，氧化铟基TCO虽兼具高透光和高导电特性，却始终逃不开“厚度依赖陷阱”。即想减薄省铟，载流子迁移率就暴跌；要保性能，又得用厚膜浪费资源。

铟资源成了“卡脖子”的难题，它作为透明导电薄膜（TCO）的核心原料，氧化铟基TCO虽兼具高透光和高导电特性，却始终逃不开“厚度依赖陷阱”。即想减薄省铟，载流子迁移率就暴跌；要保性能，又得用厚膜浪费资源。

最近，中山大学在《Advanced Materials》发表的研究，用一种“临界成核策略（CNS）”打破了这个死循环！10nm超薄铈掺杂氧化铟（ICO）薄膜的迁移率飙到108 cm²V⁻¹s⁻¹，是传统方法的2倍多；更惊艳的是，将它用在硅异质结（SHJ）太阳能电池上，效率达25.16%，和102nm厚膜电池持平，还直接省了90%的铟！

一、先看痛点，传统TCO的“厚度魔咒”

透明导电薄膜的核心指标是载流子迁移率，载流子跑得越快，导电性能越好。但传统方法制备的TCO，迁移率会随厚度减薄急剧下降，尤其厚度低于40nm时，性能直接“崩盘”。

本文做了一组对比实验，用传统SPC方法制备ICO薄膜，当厚度从100nm降到40nm以下，迁移率从143 cm²V⁻¹s⁻¹断崖式下跌。原因很简单，薄膜生长初期会形成“孵化层/死层”，超薄膜（

a）反应性等离子体沉积设备的示意图；b）传统固相结晶（SPC）法与临界成核策略（CNS）制备薄膜的迁移率 - 厚度关系图

二、而破局关键就是给每个厚度“定制”晶核

本文提出的“临界成核策略（CNS）”，核心思路特别直接。让薄膜的“成核状态”精准匹配目标厚度，而不是像传统SPC那样追求统一的非晶态沉积膜。

具体怎么做？针对不同厚度的ICO薄膜，通过调整沉积工艺（如氧氢比例）。具体如下30nm用18%O₂+1%H₂，20nm用15%O₂+0.7%H₂，10nm直接用15%O₂（无额外氢）。结果上图橙色区域所示30/20/10nm薄膜的迁移率分别达127/119/108 cm²V⁻¹s⁻¹，几乎没随厚度下降，还远超传统SPC同厚度样品！

1、为什么CNS能成？

光有数据不够，得搞清楚背后的“玄机”。本文通过一系列表征，详细解释了CNS的核心逻辑。总结成一句话就是弱晶态的初始沉积膜，才是超薄高迁移率的关键。以10nm薄膜为例，他们对比了传统SPC（R1：19%O₂+1.7%H₂）和CNS（R2：15%O₂）的差异，具体如下：

1）晶体结构天差地别：从XRD图能看到，R1沉积的薄膜无论是否退火，都没有观察到衍射峰；而R2沉积膜有微弱的(222)峰（弱晶态）TEM也进一步验证这个结论，退火后峰更尖锐，晶粒尺寸达11.89nm，大小几乎和薄膜厚度一样！这意味着晶界大幅减少，载流子散射自然变弱。

2）微观形貌更光滑：AFM测试显示，R2退火后的薄膜粗糙度仅0.29nm，远低于R1的2.30nm。表面越光滑，载流子的“表面散射”就越少，迁移率自然更高。

3）离子能量刚好“踩点”：用等离子体诊断发现，R2配方中In⁺离子的能量达25.5eV，刚好能在10nm厚度时形成初始晶核；而R1的In⁺能量只有24eV，不足以在超薄膜中成核，最终还是非晶态。

CNS通过调控离子能量，让薄膜在“刚好的厚度”形成“刚好的晶核”，退火后晶核长大填满薄膜，既没晶界又没表面粗糙，迁移率想不高都难！

薄膜生长机制:成核、岛状生长、层状生长模式的详解

XRD图像和等离子体离子能量分布图

AFM图像和TEM图像

2、效率验证，SHJ电池效率25.16%，铟用量降90%

实验室数据再好，也要经得起产业检验。本文将8nm厚（制绒后硅片上实际厚度）的ICO薄膜用在SHJ电池的n侧，对比102nm厚的传统ICO电池（参考组），可以看到两组电池效率几乎持平，超薄ICO电池（加MgF₂抗反射层）的效率达25.16%，和参考组相差无几。

从EQE曲线上看，光学性能并不拖后腿，除450-600nm波段因厚度匹配略有差异，整体量子效率接近参考组，短路电流密度（Jsc）也没明显下降；但TCO厚度从102nm降到8nm，其单侧铟用量直接减少90%。这对规模化生产来说，这意味着能大幅降低成本、减少资源依赖。

电池结构示意图、电性能图和EQE

三、总结

不止是TCO，更是光电器件的“减铟新思路”。

这篇研究的意义，远不止突破TCO的厚度依赖，首先在技术层面，提出“临界成核”这一普适策略，为其他超薄透明导电膜（如ITO、AZO）提供了参考；从规划化层面，90%的铟减量带来的收益是非常可观的，同时兼顾性能和成本；在应用层面，除了太阳能电池，还能推广到显示屏、LED等光电器件，推动整个行业向“薄型化、低成本”发展。

未来，随着CNS策略的优化，或许我们能看到更薄、更省料、性能更好的透明导电膜。

四、参考资料

[1] Eliminating Mobility-Thickness Dependence in Transparent Conductive Oxide Layer Growth: A Critical Nucleation Strategy.