创新"曲棍球棒"形GGI梯度优化ACIGS薄膜太阳能电池性能及其在叠层技术中的应用研究

本研究针对ACIGS(Ag掺杂Cu(In,Ga)Se2 )太阳能电池的界面缺陷和效率瓶颈问题，通过TCAD模拟优化了吸收层厚度、掺杂浓度及"hockey stick"形Ga梯度分布，使单结电池效率提升至25.80%，叠层器件效率达32.39%。创新性提出双Ga梯度分布策略，显著改善电压温度系数22%，为高效薄膜光伏技术发展提供重要理论指导。

　　

在光伏技术快速发展的今天，铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池因其高吸收系数和可调带隙(1.0-1.7 eV)备受关注。然而传统CIGS电池仍面临界面缺陷导致的开路电压(V_oc
)损失和效率瓶颈。2024年乌普萨拉大学团队通过引入银(Ag)掺杂和"曲棍球棒"形镓梯度(GGI)剖面，将效率提升至23.64%，但如何进一步优化器件性能仍是重大挑战。

针对这一科学问题，国外研究人员在《Micro and Nanostructures》发表最新成果。研究团队采用Silvaco TCAD二维模拟工具，建立了包含Al-ZnO/i-ZnO/CdS/ACIGS/Mo的完整器件模型。通过系统优化窗口层(AZO)厚度(230 nm)、缓冲层(CdS)电子亲和能(4.2 eV)及吸收层双Ga梯度分布(x₁
=0.70，x₂
=0.35)，显著降低了界面缺陷密度至10¹⁰
cm^-2
。

关键技术包括：1) 基于实验数据的器件校准建模；2) 变温(20-90°C)和变光强(10-120 mW/cm²
)特性分析；3) 能带对齐优化的spike型导带偏移(CBO)设计；4) 双终端(2T)钙钛矿/ACIGS叠层结构模拟。

研究结果显示：

1. 窗口层优化：发现AZO掺杂浓度>10¹⁹
   cm^-3
   时电子迁移率提升至440 cm²
   /V·s，将光电流提升2.31 mA/cm²
   。
2. 缓冲层工程：25 nm超薄CdS结合RbF后处理使界面复合降低60%，V_oc
   增加60.55 mV。
3. 吸收层设计："曲棍球棒"GGI剖面在距结100 nm处形成电势梯度，电场强度提升3倍，使少数载流子浓度降低1个数量级。
4. 温度特性：优化后器件功率温度系数改善15%至-0.207%/K，电压温度系数提升22%至-0.14%/K。
5. 叠层应用：与带隙1.70 eV钙钛矿顶电池组合时，采用能带-能带隧穿(B2BT)互连的叠层效率达32.39%，创薄膜光伏新纪录。

这项研究的重要意义在于：首次通过数值模拟揭示了Ag掺杂与Ga梯度分布的协同效应，提出界面缺陷是限制ACIGS性能的关键因素。开发的优化方案使单结电池效率突破25%，同时证实ACIGS是理想的叠层电池底电池材料。研究结果为开发效率超过33%的薄膜光伏器件提供了明确的技术路线，对推动建筑一体化光伏(BIPV)和柔性电子应用具有重要价值。特别值得注意的是，该工作建立的TCAD模型能准确预测温度/光照依赖特性，为光伏组件在真实环境中的性能评估提供了可靠工具。