ZnSe缓冲层与SnS背场层协同提升CIGS太阳能电池效率的机理研究

本研究通过SCAPS-1D模拟系统评估CdS/In2S3/ZnS/ZnSe缓冲层与PbS/SnS/CuTe2背场层(BSF)组合对CIGS太阳能电池性能的影响，创新性提出Mo/SnS/CIGS/ZnSe/ZnO结构，实现26.75%转换效率，为低成本、低毒性的高效薄膜太阳能电池设计提供新思路。

　　

随着全球能源需求激增，开发清洁可再生能源成为当务之急。铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池因其高转换效率、柔性可弯曲等特性备受关注，但其产业化仍面临材料稀缺、工艺复杂、毒性元素使用等瓶颈。传统CdS缓冲层含剧毒镉元素，而背界面复合损失严重制约效率提升。如何通过材料创新实现高效环保的CIGS电池，成为光伏领域的关键科学问题。

针对上述挑战，研究人员通过SCAPS-1D仿真软件开展系统性研究，首次提出ZnSe缓冲层与SnS背场层的创新组合。通过对比分析CdS/In₂S₃/ZnS/ZnSe四种缓冲层和PbS/SnS/CuTe₂三种BSF材料的性能，发现ZnSe与CIGS的优异能带匹配可减少界面复合，而SnS能有效抑制背表面复合。优化后的Mo/SnS/CIGS/ZnSe/ZnO结构实现26.75%的转换效率，开路电压(V_oc)达0.815 V。更突破性的是，将CIGS吸收层厚度从3 μm减至2.2 μm仍保持高效，大幅降低材料成本。该成果发表于《Micro and Nanostructures》，为发展低成本、环境友好的高效光伏器件提供了新范式。

研究采用SCAPS-1D仿真平台，建立包含缺陷密度、界面态等参数的物理模型。通过系统调节各层厚度（CIGS 2.2 μm/ZnSe 40 nm/SnS 50 nm）和掺杂浓度（10¹⁶-1.65×10¹⁹ cm^?3），结合温度敏感性分析，全面评估器件性能。

数值模拟与物理参数
建立多层结构模型（Mo/SnS/CIGS/ZnSe/ZnO），重点考察ZnSe与CIGS的导带偏移（0.15 eV）和SnS的价带对齐特性。设置CIGS带隙1.2 eV（Ga占比30%），吸收系数10⁵ cm^-1，通过Poisson方程与载流子连续性方程求解器件性能。

结果与讨论

1. 材料组合筛选：ZnSe/SnS组合展现最优性能，其效率较传统CdS提高18.7%，归因于ZnSe的宽带隙(2.7 eV)增强蓝光响应，SnS的重掺杂(10¹⁹ cm^?3)降低接触电阻。
2. 厚度优化：CIGS减薄至2.2 μm时，缺陷密度需控制在10¹⁵ cm^?3以下，否则效率下降12%。界面态密度超过10¹³ cm^?2时V_oc显著降低。
3. 温度效应：温度每升高1℃，效率衰减0.15%，主要源于本征载流子浓度增加导致的复合加剧。

结论
该研究通过多尺度仿真揭示ZnSe/SnS协同作用机制：ZnSe优化前界面能级排列，SnS重构背接触势垒。最优结构实现33.7%的理论效率，且通过材料无毒化和厚度减薄推动产业化应用。创新性提出"缓冲层-背场层"协同设计理念，为新一代薄膜光伏技术发展提供重要参考。

讨论
相比传统铅基钙钛矿，该无铅设计兼具环保与高效优势。但需注意硒元素回收问题，未来可探索SnS/ZnSe界面原子级钝化策略。研究成果对实现"双碳"目标下的光伏技术升级具有战略意义。