Nature Energy：銅銦鎵硒太陽能電池的新世界紀錄

景行 7天前 326瀏覽

一、【科學背景】?

以銅銦鎵硒為吸收層的高效薄膜太陽能電池具有生產成本低、污染小和弱光性能好等顯著特點，且光電轉換效率居各種薄膜太陽能電池之首，已成為全球光伏領域的研究熱點之一，被稱為下一代非常有前途的新型薄膜太陽能電池。銅銦鎵硒太陽能電池的效率已達到23.35%，但進一步提高其效率仍具有挑戰性。

二、【創新成果】

近日，烏普薩拉大學太陽能電池研究人員展示了通過實施一系列策略實現的銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池的23.64%認證效率。作者將相對較高量的([Ag]/([Ag]?+?[Cu])?=?0.19)引入到吸收體中，并實現了類似“曲棍球棒”的Ga分布：在接觸Mo背電極附近具有高濃度的Ga，而在更接近CdS緩沖層的區域中具有較低的恒定濃度。這種元素分布將橫向和縱深的帶隙波動降至最低，得到的帶隙接近1.15 eV，從而降低了開路電壓損耗。此外，作者采用了RbF后沉積處理，導致形成Rb–In–Se相，可能為RbInSe2，使吸收劑表面鈍化。

圖1太陽能電池特性和參數比較。（a）電流-電壓特性曲線和（b）外量子效率(EQE)光譜。太陽能電池參數：（c）FF、（d）JSC、（e）VOC和（f）η。? 2023 Springer Nature

電池在實驗室測量（η= 23.75%）并經弗勞恩霍夫太陽能系統研究所（ISE）認證（η = 23.64%）。效率高于之前報道的高效太陽能電池的值（η= 22.9%和η= 22.6%）。空間電荷區域（SCR）中的總復合率降低是由于SCR中較低的活化能或較低的缺陷密度造成的，SCR中復合主要通過中間帶隙缺陷實現，而界面復合對于現有的器件來說不是問題。

圖2 器件結構的電子顯微鏡分析。通過HCl蝕刻選擇性去除CdS和窗口層后的完整電池（a）和（b）吸收體表面的全截面SEM圖像。（c）研究的兩個薄片的太陽能電池全截面的透射電鏡明場像(BF-TEM)? 2023 Springer Nature

如掃描電子顯微鏡（SEM）圖像所示，形成了大的(Ag,Cu)(In,Ga)Se2（ACIGS）顆粒，其中大多數顆粒在所有維度上的尺寸均大于1 μm。在CdS/ACIGS界面處折射后產生的傾斜光耦合是有益的，因為它增加了吸收體中的光程長度。

圖3 Rb、In和Ga的橫向分布。? 2023 Springer Nature

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圖4 完整太陽能電池的掃描穿透式電子顯微鏡的元素分析（STEM-EDS）。（a）在‘Pos2.1’位置的元素分布。（b）GGI、AAC以及標準化Cd、Mo和Rb的深度分析。（c）對應的STEM-暗場（DF）像。? 2023 Springer Nature

來自晶粒內部的較弱Rb信號最有可能來自背底界面以及傾斜和較深的晶界。為了更詳細地研究富Rb區域并提供元素深度剖面的量化，通過STEM-EDS對薄膜2上的位置“Pos2.1”和“Pos2.2”進行了分析。Rb主要集中在CdS層下的區域中（大小<100?nm），但在ACIGS/CdS界面的各處都可以發現少量Rb。Rb信號正好在緩沖層下方達到峰值，而輝光放電發射光譜(GDOES)也顯示了背底接觸處（即MoSe2和ACIGS之間）的Rb聚集。

圖5吸收/緩沖異質結的STEM-EDS分析。（a）在‘Pos2.2’位置的元素分布。（b）a中發現的富含Rb區域的STEM-BF圖像。（c）來自a的疊加Rb濃度圖的相同圖像。（d）從b中所示的圓形區域1和2提取的量化元素濃度。高倍放大的富Rb區域的（e）STEM-BF和（f）STEM-DF圖像。? 2023 Springer Nature

在ACIGS/CdS界面上的Rb聚集是明顯的。有趣的是，銅和鎵信號比其他吸收體元素先下降約5 nm。這與在吸收體表面形成非常薄的(Ag,Rb)–In–Se化合物（可能是(Ag,Rb)InSe2）相一致。總結所有發現，作者推測在CdS/ACIGS界面上到處都形成了非常薄的(<5?nm) RbInSe2相。

該研究實現了一種高性能銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池，以“High-concentration silver alloying and steep back-contact gallium grading enabling copper indium gallium selenide solar cell with 23.6% efficiency”為題發表在國際頂級期刊Nature Energy上，引起了相關領域研究人員熱議。

三、【科學啟迪】

綜上所述，本文實現了一種高性能銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池，其認證效率為23.6%（實驗室測量值為23.8%）。性能的提高得益于吸收層中銀（[Ag]/([Ag]?+?[Cu]=0.19）的高濃度合金化和吸收層表面以及空間電荷區域（SCR）中橫向和縱深的成分波動的最小化。

進一步地避免在窗口和緩沖層中出現寄生吸收，同時保持相同的VOC和FF水平，有可能是提高效率至25%的最直接方法。

原文詳情：Keller, J., Kiselman, K., Donzel-Gargand, O. et al. High-concentration silver alloying and steep back-contact gallium grading enabling copper indium gallium selenide solar cell with 23.6% efficiency. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01472-3

本文由景行撰稿

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