基于AgInSe2的双异质结薄膜太阳能电池数值分析：面向高效率的光伏性能优化

《Nano Select》：Numerical Analysis of AgInSe2-Based Thin-Film Solar Cells Towards High Efficiency

本综述通过SCAPS-1D模拟系统分析了以AgInSe2（AISe）为吸收层、CdS为窗口层，并引入AlSb、CuS和WSe2作为背表面场（BSF）层的双异质结薄膜太阳能电池结构。研究显示，WSe2作为BSF层时器件实现了34.69%的优异光电转换效率（PCE），其高开路电压（VOC）和填充因子（FF）归因于良好的能带对齐与载流子分离效率，为绿色能源材料设计提供了新思路。

　　

1 引言

随着化石燃料使用导致的温室气体排放问题日益严重，太阳能作为一种清洁能源备受关注。薄膜太阳能电池（TFSCs）因其成本低、制备工艺灵活和较高的光电转换效率（PCE）成为硅基电池的有力替代者。其中，黄铜矿半导体材料（如AgInSe₂）因其直接带隙、高光吸收系数（>5×10⁴ cm^?1）和良好的载流子迁移率，被广泛研究作为吸收层材料。AgInSe₂（AISe）作为I-III-VI₂族化合物，其带隙约为1.24 eV，覆盖可见光至近红外光谱范围，具备成为高效光伏器件的潜力。然而，现有AISe基太阳能电池的最高实验效率仅为9%，亟需通过结构优化提升性能。

2 器件结构与计算模型

本研究采用SCAPS-1D软件构建了以n-CdS为窗口层、p-AISe为吸收层、p⁺-AlSb/CuS/WSe₂为背表面场（BSF）层的双异质结太阳能电池模型。能带结构分析表明，BSF层的引入在吸收层/BSF界面形成额外的内建电场，增强了光生载流子的分离效率并抑制了复合。模拟中设定了AM 1.5G光照条件、300 K温度及标准缺陷密度（10¹¹ cm^?2界面缺陷），关键材料参数如厚度、掺杂浓度和能带对齐均基于文献优化设置。

3 结果与讨论

3.1 电流-电压与量子效率特性

模拟结果显示，单一n-CdS/p-AISe异质结的PCE为22.08%（V_OC=0.74 V，J_SC=35.58 mA/cm²）。引入BSF层后，n-CdS/p-AISe/p⁺-WSe₂结构实现了最高PCE（34.69%），其V_OC提升至1.10 V，归因于WSe₂与AISe之间优异的能带对齐形成的强内建电势。量子效率（QE）曲线在500–600 nm波长范围内出现峰值，对应AISe的高吸收特性，而短波长区域的QE下降与CdS窗口层的寄生吸收相关。

3.2 AISe吸收层的关键作用

吸收层厚度在0.3–1.1 μm范围内时，J_SC随厚度增加而上升（31.49→37.09 mA/cm²），但过厚的吸收层会因载流子扩散路径延长导致填充因子（FF）下降。掺杂浓度超过10¹⁷ cm^?3时，V_OC和FF因俄歇复合加剧而降低。缺陷密度高于10¹³ cm^?3时，SRH复合主导性能衰减，PCE显著下降。

3.3 CdS窗口层的影响

CdS厚度（0.05–0.25 μm）和缺陷密度（10¹²–10¹⁶ cm^?3）对V_OC和FF影响较小，但过厚的CdS会因光吸收损失导致J_SC轻微下降。高掺杂（>10¹⁸ cm^?3）可能引发自由载流子吸收，降低短路电流。

3.4 BSF层的优化设计

WSe₂作为BSF层时表现出最优性能，其宽带隙（1.62 eV）和高掺杂耐受性有效提升了内建电势。AlSb和CuS作为BSF层时PCE分别为33.58%和31.98%，但AlSb在掺杂浓度超过10²⁰ cm^?3时因缺陷态增加导致FF下降。

3.5 电容-电压特性分析

Mott-Schottky曲线显示，双异质结器件的内建电势（ψ_bi）显著高于单结结构（例如CdS/AISe/WSe₂的ψ_bi达1.92 V），证实BSF层增强了界面电场强度，有利于载流子分离。

3.6 电阻与温度的影响

串联电阻（R_S）升高会显著降低FF和PCE，而并联电阻（R_sh）越高越有利于性能稳定。温度从270 K升至450 K时，V_OC和FF因载流子热激发加剧而下降，导致PCE降低约5–6%。

4 结论

通过SCAPS-1D模拟优化，AISe基双异质结太阳能电池在引入WSe₂作为BSF层时展现出34.69%的理论效率，显著优于传统单结结构。该研究为开发高效、环境友好的薄膜光伏器件提供了理论依据与设计方向。