Nature Energy：铜铟镓硒太阳能电池的新世界纪录

景行 8个月前 (03-23) 1951浏览

一、【科学背景】 

以铜铟镓硒为吸收层的高效薄膜太阳能电池具有生产成本低、污染小和弱光性能好等显著特点，且光电转换效率居各种薄膜太阳能电池之首，已成为全球光伏领域的研究热点之一，被称为下一代非常有前途的新型薄膜太阳能电池。铜铟镓硒太阳能电池的效率已达到23.35%，但进一步提高其效率仍具有挑战性。

二、【创新成果】

近日，乌普萨拉大学太阳能电池研究人员展示了通过实施一系列策略实现的铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池的23.64%认证效率。作者将相对较高量的([Ag]/([Ag] + [Cu]) = 0.19)引入到吸收体中，并实现了类似“曲棍球棒”的Ga分布：在接触Mo背电极附近具有高浓度的Ga，而在更接近CdS缓冲层的区域中具有较低的恒定浓度。这种元素分布将横向和纵深的带隙波动降至最低，得到的带隙接近1.15 eV，从而降低了开路电压损耗。此外，作者采用了RbF后沉积处理，导致形成Rb–In–Se相，可能为RbInSe2，使吸收剂表面钝化。

图1太阳能电池特性和参数比较。（a）电流-电压特性曲线和（b）外量子效率(EQE)光谱。太阳能电池参数：（c）FF、（d）JSC、（e）VOC和（f）η。© 2023 Springer Nature

电池在实验室测量（η= 23.75%）并经弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（ISE）认证（η = 23.64%）。效率高于之前报道的高效太阳能电池的值（η= 22.9%和η= 22.6%）。空间电荷区域（SCR）中的总复合率降低是由于SCR中较低的活化能或较低的缺陷密度造成的，SCR中复合主要通过中间带隙缺陷实现，而界面复合对于现有的器件来说不是问题。

图2 器件结构的电子显微镜分析。通过HCl蚀刻选择性去除CdS和窗口层后的完整电池（a）和（b）吸收体表面的全截面SEM图像。（c）研究的两个薄片的太阳能电池全截面的透射电镜明场像(BF-TEM)© 2023 Springer Nature

如扫描电子显微镜（SEM）图像所示，形成了大的(Ag,Cu)(In,Ga)Se2（ACIGS）颗粒，其中大多数颗粒在所有维度上的尺寸均大于1 µm。在CdS/ACIGS界面处折射后产生的倾斜光耦合是有益的，因为它增加了吸收体中的光程长度。

图3 Rb、In和Ga的横向分布。© 2023 Springer Nature

 

图4 完整太阳能电池的扫描穿透式电子显微镜的元素分析（STEM-EDS）。（a）在‘Pos2.1’位置的元素分布。（b）GGI、AAC以及标准化Cd、Mo和Rb的深度分析。（c）对应的STEM-暗场（DF）像。© 2023 Springer Nature

来自晶粒内部的较弱Rb信号最有可能来自背底界面以及倾斜和较深的晶界。为了更详细地研究富Rb区域并提供元素深度剖面的量化，通过STEM-EDS对薄膜2上的位置“Pos2.1”和“Pos2.2”进行了分析。Rb主要集中在CdS层下的区域中（大小<100 nm），但在ACIGS/CdS界面的各处都可以发现少量Rb。Rb信号正好在缓冲层下方达到峰值，而辉光放电发射光谱(GDOES)也显示了背底接触处（即MoSe2和ACIGS之间）的Rb聚集。

图5吸收/缓冲异质结的STEM-EDS分析。（a）在‘Pos2.2’位置的元素分布。（b）a中发现的富含Rb区域的STEM-BF图像。（c）来自a的叠加Rb浓度图的相同图像。（d）从b中所示的圆形区域1和2提取的量化元素浓度。高倍放大的富Rb区域的（e）STEM-BF和（f）STEM-DF图像。© 2023 Springer Nature

在ACIGS/CdS界面上的Rb聚集是明显的。有趣的是，铜和镓信号比其他吸收体元素先下降约5 nm。这与在吸收体表面形成非常薄的(Ag,Rb)–In–Se化合物（可能是(Ag,Rb)InSe2）相一致。总结所有发现，作者推测在CdS/ACIGS界面上到处都形成了非常薄的(<5 nm) RbInSe2相。

该研究实现了一种高性能铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池，以“High-concentration silver alloying and steep back-contact gallium grading enabling copper indium gallium selenide solar cell with 23.6% efficiency”为题发表在国际顶级期刊Nature Energy上，引起了相关领域研究人员热议。

三、【科学启迪】

综上所述，本文实现了一种高性能铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池，其认证效率为23.6%（实验室测量值为23.8%）。性能的提高得益于吸收层中银（[Ag]/([Ag] + [Cu]=0.19）的高浓度合金化和吸收层表面以及空间电荷区域（SCR）中横向和纵深的成分波动的最小化。

进一步地避免在窗口和缓冲层中出现寄生吸收，同时保持相同的VOC和FF水平，有可能是提高效率至25%的最直接方法。

原文详情：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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