SnS基太阳能电池中陷阱辅助非辐射复合与热激发的关联机制：基于COMSOL的多物理场仿真研究

本研究针对SnS基太阳能电池中非辐射复合损失与温度梯度的关联性问题，通过COMSOL Multiphysics仿真分析了ZnO/SnS/spiro-OMeTAD结构的光伏性能。研究发现优化SnS吸收层厚度（10-1610 nm）可使效率提升至14.755%，进一步调节掺杂密度可达19.112%，为低成本环保型光伏器件设计提供理论依据。

　　

随着全球能源转型加速，太阳能电池技术面临效率提升与成本控制双重挑战。传统硅基电池虽占主导地位，但其制造过程高能耗且材料稀缺。相比之下，锡硫化物（SnS）因其1.3 eV直接带隙、高吸光系数和环境友好特性成为研究热点，但其功率转换效率（PCE）受限于陷阱辅助非辐射复合（trap-assisted non-radiative recombination）和热激发导致的载流子损失。

为突破这一瓶颈，来自沙特阿拉伯国王大学的研究团队采用COMSOL Multiphysics软件，首次对二维ZnO/SnS/spiro-OMeTAD异质结太阳能电池进行系统性仿真。该研究通过求解半导体泊松方程、载流子连续性方程等核心物理模型，定量分析了吸收层厚度、电子传输层（ETL）厚度、掺杂浓度等参数对器件性能的影响。相关成果发表在《Materials Science and Engineering: B》上，为新型光伏材料设计提供了重要理论支撑。

关键技术方法包括：1）基于有限元法的多物理场耦合仿真；2）太阳光谱AM1.5G辐照条件模拟；3）变温条件下陷阱态密度与复合速率的量化分析；4）通过参数扫描优化器件结构（SnS厚度梯度10-1610 nm）。

【太阳能吸收与太阳光谱】
研究团队首先模拟了300-1100 nm波长范围的太阳光谱响应（图1a），发现SnS在可见光区（400-600 nm）表现出强吸收特性。通过光谱失配因子计算，证实该材料能有效利用83%的太阳辐射能量。

【吸收层厚度对性能的影响】
当SnS厚度从10 nm增至1610 nm时，最大功率（P_max
）从156.73 W提升至157.01 W（图4a）。值得注意的是，厚度超过800 nm后，由于载流子扩散长度限制，开路电压（V_oc
）下降0.12 V，但短路电流密度（J_sc
）增加21.3 mA/cm²
，最终使效率达到14.755%。

【温度梯度与复合机制】
在300-400 K温度范围内，热激发使陷阱态密度呈指数增长，导致非辐射复合率升高37.8%。通过阿伦尼乌斯方程拟合，发现激活能（E_a
）为0.45 eV，表明深能级缺陷是效率损失的主因。

研究结论表明，通过协同优化SnS厚度（1610 nm）和施主掺杂浓度（5×10¹⁸
cm^-3
），可使PCE提升至19.112%。该工作首次揭示了温度梯度与缺陷复合的定量关系，为开发耐高温光伏器件提供了新思路。讨论部分指出，未来需通过Mg掺杂等实验手段进一步降低体缺陷密度，以实现理论效率的产业化转化。