晶界缺陷对Cu(In,Ga)Se2 太阳能电池电流-电压特性的影响机制与钠调控策略研究

本研究通过二维模拟揭示了Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)太阳能电池中晶界(GB)供体缺陷形成的势垒对光伏参数的抑制作用，阐明势垒高度与缺陷浓度、掺杂水平和晶粒尺寸的定量关系，发现钠(Na)处理可降低势垒并减少复合损失，为提升CIGS效率提供理论依据。

　　

在追求清洁能源的浪潮中，铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se₂
, CIGS)薄膜太阳能电池以23.6%的实验室效率成为低成本光伏技术的佼佼者。然而，这种材料的奥秘恰恰隐藏在其多晶特性中——微米级的晶粒被晶界(GB)网络分割，这些看似微小的界面却如同高速公路上的收费站，可能阻碍电荷通行或成为载流子的"死亡陷阱"。更耐人寻味的是，多晶CIGS的效率竟超越了单晶版本，这引发了学界对晶界作用的激烈争论：它们是效率提升的"秘密武器"，还是尚未克服的技术瓶颈？

为解开这个谜题，研究人员采用Sentaurus TCAD软件开展二维模拟研究，聚焦晶界供体缺陷对CIGS电池性能的影响。通过建立包含ZnO/CdS/CIGS三明治结构的模型，设置不同晶粒尺寸(0.1-0.5 μm)、掺杂浓度(10¹⁵
-3×10¹⁶
cm^-3
)和晶界缺陷密度(5×10¹⁰
-10¹²
cm^-2
)，系统模拟了势垒形成机制及其对光伏参数的影响。研究还结合实验数据，对比了钠处理前后CIGS薄膜的导电激活能与电池开路电压的关联性。

势垒形成机制
模拟结果显示，晶界供体缺陷会引发能带向下弯曲，形成空穴势垒E_B
。当缺陷浓度N_GB
达到6×10¹¹
cm^-2
时，500 nm晶粒内会出现316 meV的高势垒。势垒高度遵循三阶段规律：未耗尽区与N_GB
呈线性关系；部分耗尽区与掺杂浓度N_A
呈反比；完全耗尽后则仅取决于晶粒尺寸L（E_B
=q²
L²
N_A
/8ε）。

光伏参数影响
电流密度图谱揭示，高势垒下电子会沿晶界形成"快速通道"，但这也导致复合加剧。当势垒从55 meV升至316 meV时，V_OC
从716 mV降至650 mV，FF从83.5%锐减至72%。特别值得注意的是，在正向偏压下，晶界处电子浓度激增，与空穴形成高复合区(n(x,y)*p(x,y))，这直接解释了V_OC
损失的机理。

钠调控实验验证
对比钠玻璃(SLG)与ZrO₂
基板制备的电池发现，钠处理可显著降低导电激活能（从350 meV至<100 meV），使V_OC
提升约60 mV。模拟曲线与实验数据高度吻合，证实钠通过钝化晶界供体缺陷来降低势垒，进而抑制复合损失。

这项研究首次通过二维模拟量化了晶界势垒对CIGS电池性能的影响，揭示了看似矛盾的"晶界双刃剑"效应——既是电子传输通道，又是主要复合中心。研究提出的势垒高度计算公式和钠钝化机制，为定向优化CIGS晶界工程提供了理论工具。尤其重要的是，该成果发表在《Thin Solid Films》上，不仅解释了为何多晶CIGS能超越单晶效率的"反常现象"，更指明通过精确控制晶界缺陷密度（如钠掺杂工艺）来突破效率瓶颈的新路径，这对推动薄膜光伏技术商业化具有重要指导意义。