双吸收层锑硫族化合物太阳能电池的优化：实现28.4%转换效率的综合参数调控

本研究针对铅基钙钛矿太阳能电池(PSC)的毒性及稳定性问题，创新性地采用Sb2 S3 /Sb2 Se3 双吸收层结构并引入WSe2 背表面场(BSF)层，通过SCAPS-1D软件优化厚度、掺杂浓度等参数，最终实现28.4%的光电转换效率(PCE)，为无毒、稳定、高效光伏器件开发提供新范式。

　　

随着全球能源危机加剧，传统化石燃料导致的温室效应和环境污染问题日益严峻。太阳能作为清洁可再生能源的代表，其转换效率与成本成为研究焦点。尽管铅基钙钛矿太阳能电池(PSC)凭借高功率转换效率(PCE)和低成本制备优势占据主导地位，但其核心材料甲基铵铅碘(MAPbI₃
)存在铅毒性及环境稳定性差的致命缺陷。寻找兼具高性能与生态友好特性的替代材料，成为光伏领域亟待突破的科学难题。

锑硫族化合物(Sb-chalcogenides)因其可调带隙(1.2-1.7 eV)、高吸收系数和环境稳定性脱颖而出。这类材料不仅避免铅的生态风险，其热膨胀系数与常用基底匹配，且可通过热蒸发、化学浴沉积等成熟工艺制备。然而，单一吸收层结构存在载流子复合率高、光吸收不充分等瓶颈。为此，研究人员提出双吸收层创新设计：p型Sb₂
S₃
与n型Sb₂
Se₃
组合可形成梯度能带结构，而钨硒化物(WSe₂
)背表面场(Back Surface Field, BSF)层的引入能通过建立内建电场抑制少数载流子复合。

为验证该设计，研究团队采用比利时根特大学开发的SCAPS-1D(太阳能电池电容模拟器)进行数值模拟。通过系统优化各功能层厚度、掺杂浓度及缺陷密度等参数，发现：

1. 吸收层厚度调控中，Sb₂
   S₃
   最佳厚度为0.7 μm，Sb₂
   Se₃
   为0.5 μm，此时短路电流密度(J_SC
   )提升至34.12 mA/cm²
   ；
2. BSF层WSe₂
   的高掺杂浓度(1×10¹⁹
   cm^-3
   )可将表面复合速度(SRV)降低两个数量级；
3. 缺陷密度控制在1×10¹⁴
   cm^-3
   以下时，开路电压(V_OC
   )显著提升至0.89 V。

最终，含BSF层的p⁺
-WSe₂
/p-Sb₂
S₃
/n-Sb₂
Se₃
/n-WS₂
结构实现28.4%的PCE，较无BSF结构(25.06%)提升13.3%。电容-电压(CV)测试证实BSF层有效扩展耗尽区宽度，而电容-频率(Cf)特性表明界面态密度降低至10¹¹
eV^-1
cm^-2
量级。

该研究通过能带工程与器件物理的协同优化，首次将锑硫族化合物太阳能电池效率提升至商业化应用阈值(>28%)。创新性地采用WSe₂
作为BSF层，其5.132×10^-6
K^-1
(a轴)的热膨胀系数与吸收层完美匹配，解决了传统结构的热机械应力问题。研究成果发表于《Micro and Nanostructures》，为下一代无毒、稳定、高效光伏器件提供了可量产的解决方案，同时建立了从模拟计算到实际应用的优化方法论。

主要技术方法：采用SCAPS-1D软件进行器件建模与参数扫描；通过Poisson方程和连续性方程求解载流子输运行为；利用AM1.5G太阳光谱标准条件评估性能；对比分析有/无BSF层的CV和Cf特性曲线。

研究结果：

1. 吸收层厚度影响：Sb₂
   S₃
   厚度增加主要提升J_SC
   ，而Sb₂
   Se₃
   优化显著改善V_OC
   ；
2. 掺杂浓度调控：BSF层p⁺
   型掺杂使内建电势增加0.21 V；
3. 缺陷密度分析：界面态密度低于10¹²
   cm^-2
   时填充因子(FF)达82.7%。

结论与讨论：该工作突破了锑硫族化合物电池的效率瓶颈，通过双吸收层设计与BSF工程的协同作用，实现了接近单结电池理论极限(Shockley-Queisser limit)的性能。WSe₂
BSF层不仅提高载流子收集效率，其环境稳定性还解决了传统PSC的封装难题。未来研究可聚焦于溶液法制备工艺优化，推动该技术向大规模生产转化。