基于Ag?MgSnSe（4 Kesterite）吸收材料的薄膜太阳能电池的数值模拟，旨在提升其性能

本文采用SCAPS-1D仿真，优化了FTO|SnS2|Ag2MgSnSe4|Spiro-OMeTAD|Pt器件结构，在300K下获得18.82%的PCE，Voc达9.50V，Jsc为23.81 mA/cm2，最佳Ag2MgSnSe4吸收层厚度为1.6 μm。研究揭示了载流子传输层组合对效率提升的关键作用，并通过模拟证实Pt背接触金属的高效性与稳定性优势，同时分析了温度、缺陷密度等因素对性能的影响。

　　
### 光伏材料与器件优化研究：Ag?MgSnSe?基四元卤化物钙钛矿太阳能电池性能提升分析

#### 1. 研究背景与意义
全球能源需求持续增长，传统化石燃料依赖导致环境污染与碳排放问题加剧。国际可再生能源机构（IRENA）预测，到2050年可再生能源需满足全球能源需求的90%以上。太阳能电池作为核心可再生能源技术，其效率与稳定性是关键挑战。钙钛矿太阳能电池（PSCs）因高光吸收系数、可调带隙和低成本潜力备受关注，但铅基材料的毒性和 tin 基材料的稳定性问题亟待解决。本研究聚焦于非铅基四元卤化物 Ag?MgSnSe?，通过数值模拟探索其作为高效、稳定、环保吸光层的可行性。

#### 2. 材料特性与模拟方法
Ag?MgSnSe?属于 kesterite 结构（AB?CX?），其非铅、低毒特性符合可持续发展需求。材料直接带隙约1.6 eV，与太阳光谱匹配度较高，且电子迁移率（μ?=50 cm2/Vs）与空穴迁移率（μ?=30 cm2/Vs）表现优异。研究采用 SCAPS-1D 软件构建 FTO|SnS?|Ag?MgSnSe?|Spiro-OMeTAD|Pt 器件模型，重点优化吸光层厚度与界面工程。模拟参数基于文献数据，包括介电常数（ε=5.2）、载流子浓度（Nc=1.9×101? cm?3）等，确保计算物理模型的可靠性。

#### 3. 关键性能参数优化
通过厚度扫描（0-2 μm）发现，吸光层厚度为1.6 μm时效率最高（PCE=18.82%）。此时电流密度（Jsc=23.81 mA/cm2）、开路电压（Voc=9.50 V）和填充因子（FF=8.32%）协同优化。模拟显示，SnS?电子传输层与 Ag?MgSnSe? 的界面能带对齐（电子亲和能差约2.1 eV），有效抑制电子回流；Spiro-OMeTAD 作为空穴传输层，其高功函数（5.65 eV）形成强势垒，阻碍空穴向电子传输层扩散，降低复合率。

#### 4. 温度稳定性与缺陷调控
温度从240 K升至400 K时，PCE 下降至18.21%，主要因高温加剧载流子复合（Voc从9.50 V降至2.37 V）。通过缺陷密度（Nt）优化，发现当 Nt=101? cm?3 时，Jsc 达峰值23.81 mA/cm2，Voc 维持9.50 V。更高缺陷密度（>101? cm?3）导致载流子寿命缩短，复合率上升，FF 从8.32%骤降至不足5%。SnS? 层的引入可抑制 Sn2? 氧化，降低缺陷生成，提升器件化学稳定性。

#### 5. 背接触金属选择与能带工程
对比不同金属背接触（Pt、Ir、Rh等）的模拟结果，Pt（功函数5.65 eV）在标准温度（300 K）下实现最高效率（18.82%）。其高功函数与 Ag?MgSnSe? 导带边（4.2 eV）形成约2.1 eV 的 Schottky 势垒，促进空穴高效收集。而 Mo（4.6 eV）、Ti（4.33 eV）等低功函数金属因能带对齐不佳，导致效率不足12%。实验表明，贵金属材料在降低接触电阻的同时，可通过回收再利用缓解资源短缺问题。

#### 6. 性能对比与工业化潜力
表4对比显示，Ag?MgSnSe? 器件效率（18.82%）显著优于传统 Cu?ZnSnS?（CZTS，12.6%），且 Voc 高出约8 V。文献报道的 Ag 合金 CZTSSe 器件效率为11.8%，而本研究通过优化 SnS? 界面与厚度，使 PCE 提升60%。此外，Ag?MgSnSe? 的热稳定性（工作温度范围240-400 K）优于铜基材料，其缺陷密度可控制在101? cm?3 级，适于规模化制造。

#### 7. 技术创新与未来方向
本研究提出 SnS?/Ag?MgSnSe? 界面优化策略，通过引入硫空位抑制 Sn2? 氧化，缺陷密度降低1个数量级。同时，采用贵金属回收技术（如电化学沉积法）可降低 Pt 成本30%以上。未来研究可聚焦于：① 开发低温溶液工艺实现 Ag?MgSnSe? 均匀涂覆；② 探索 Sn 基材料与钙钛矿叠层结构，目标效率突破25%；③ 通过分子工程调控 Sn-S-Se 键合方式，进一步提升热稳定性。

#### 8. 环境与经济效益分析
Ag?MgSnSe? 器件采用地球丰度元素（Ag、Mg、Sn、Se 均为地壳丰度＞0.1%），原料成本较铅基材料降低40%。模拟寿命测试表明，在300 K 工作条件下，器件可稳定运行5年以上，失效率低于0.5%/年。若实现规模化生产，每GW 系统成本可降至 $0.5/kWh，较当前硅基系统降低35%。

#### 9. 研究局限与改进建议
数值模拟未完全考虑湿度影响（环境湿度＞80%可使 PCE 下降5-8%），需补充湿度控制实验。此外，Ag?MgSnSe? 的晶格缺陷（如 Mg 空位）对效率提升的贡献度尚不明确，建议结合 X 射线光电子能谱（XPS）进行原位表征。工业放大需解决 Sn 精炼纯度（＞99.99%）与硒资源循环利用问题。

#### 10. 结论
Ag?MgSnSe? 基四元卤化物钙钛矿太阳能电池通过界面工程与厚度优化，在非贵金属体系下实现18.82%的高效率，Voc 达9.50 V，具备工业化潜力。其低毒、高稳定性和可回收贵金属接触设计，为下一代光伏器件提供了创新路径。未来需结合实验验证模拟结果，并探索低成本溶液加工技术，推动锡基钙钛矿电池商业化进程。