铜锡硫量子点敏化叠层太阳能电池的SCAPS-1D模拟与效率优化研究

为解决太阳能电池热化损失和透射损失问题，研究人员通过SCAPS-1D软件模拟铜锡硫(CTS)量子点敏化叠层太阳能电池结构，优化后效率达20.20%。研究揭示了缺陷密度对界面复合的影响，并提出引入第三层1.2 eV带隙CTS可进一步提升效率2%，为高效量子点太阳能电池设计提供理论依据。

　　

能源危机与环境问题日益严峻，太阳能作为清洁可再生能源备受关注。然而传统单结太阳能电池面临两大瓶颈：高能光子热化损失和低能光子透射损失，导致转换效率难以突破肖克利-奎伊瑟极限(Shockley-Queisser limit)。量子点敏化太阳能电池(QDSSC)虽具有成本低、可溶液加工等优势，但效率仍不理想。铜锡硫(CTS)作为新型三元半导体材料，其量子点可通过尺寸效应调节带隙，为构建高效叠层太阳能电池提供了可能。

研究人员采用太阳能电池电容模拟软件(SCAPS-1D)对CTS量子点敏化叠层太阳能电池进行系统研究。通过建立ITO/TiO₂/CTS/CuSbS₂/Au器件模型，模拟分析了不同带隙(1.5 eV和2.5 eV)CTS量子点的性能表现，并考察了厚度优化、缺陷密度和界面特性对电池效率的影响。

3.1 单结CTS QDSSC性能分析
模拟显示，带隙1.5 eV和2.5 eV的CTS单结电池分别实现18.14%和17.86%的效率。量子效率曲线表明两者在紫外-可见光区均有80%吸收率，但1.5 eV器件因匹配太阳光谱黄光区域而略占优势。

3.3 叠层结构优化
构建ITO/TiO₂/CTS(2.5 eV)/CTS(1.5 eV)/CuSbS₂/Au叠层结构后，初始效率为18.16%。通过厚度优化发现：将低带隙(1.5 eV)CTS层增至100 nm可使效率提升至20.20%，而高带隙层厚度变化影响甚微。这归因于低带隙材料可吸收更多红外光子，扩展光谱响应范围。

3.5 缺陷影响机制
研究表明各层缺陷密度需控制在10¹⁴ cm^-2以内：

• 低带隙CTS层缺陷超限会导致复合率骤增至10²² cm^-3s，使效率从20.16%暴跌至13.60%
• 空穴传输层(HTL)缺陷会引发"效率悬崖"现象，当密度达10¹⁸ cm^-2时效率衰减55%
• CTS/电子传输层(ETL)界面因能带尖峰抑制载流子输运，缺陷影响较小

3.8 多敏化层创新设计
引入第三层1.2 eV带隙CTS后，电池效率提升至22.67%。量子效率曲线显示该设计显著增强了红外区光子捕获，同时保持可见光区80%以上的吸收率。

这项研究通过系统模拟揭示了CTS量子点叠层电池的性能优化路径：

1. 采用"高-中-低"带隙梯度设计可最大化太阳光谱利用
2. 低带隙敏化层厚度需达100 nm以实现充分光捕获
3. 界面缺陷控制是抑制非辐射复合的关键
4. 多敏化层结构可突破单结电池效率极限

该工作为开发效率超过20%的量子点太阳能电池提供了重要理论指导，首次证实CTS材料在叠层结构中的应用潜力。通过带隙工程与界面优化的协同设计，未来有望实现超越肖克利-奎伊瑟极限的高效稳定太阳能电池。研究成果发表在《Next Energy》期刊，对推动第三代太阳能电池发展具有重要意义。