同质pn结太阳能电池短路稳态载流子分布：电场与光生率分布对载流子分离机制的影响

这篇研究通过电荷平衡框架和SCAPS-1D模拟，揭示了同质pn结太阳能电池在短路条件下稳态载流子分布的核心机制。研究发现电场分布（而非平衡载流子浓度）主导了载流子分离过程，并提出"峰值-拖尾"分布模型：光生区域形成载流子浓度峰值，而电场驱动的扩散形成延伸拖尾，二者共同决定复合损失。该工作为量化短路电流密度（JSC）损失提供了新范式，对钙钛矿、CIGS等新兴光伏器件的效率提升具有指导意义。

　　

电场主导的载流子分布新机制

在光伏领域，短路电流密度（J_SC）作为可提取电流的上限，其损失机制长期缺乏系统研究。传统基于准费米能梯度的分析方法在短路条件下失效，迫使研究者转向最大功率点分析。这项突破性研究通过电荷平衡框架，首次建立了短路稳态载流子分布与J_SC的直接关联。

电场与扩散的协同效应

通过设计五组具有相同内置电场但不同暗态载流子浓度的模型系统（N_d=10¹⁴-10¹⁸ cm^-3），研究发现稳态过剩载流子分布惊人地遵循电场分布规律。在N_eff=10¹⁶ cm^-3的案例中，低介电常数（ε=10^-1）导致接触区光生电场增强，使载流子提取效率提升34%，验证了电场对分布的决定性作用。

"峰值-拖尾"分布模型

采用0.2μm分段的箱型光生率分布模拟显示，每个局域生成的载流子都会形成两个特征结构：在生成区域出现浓度峰值，而电场驱动下向非生成区域延伸形成拖尾。例如在0.0-0.2μm生成时，拖尾贡献了p型区49.7%的总过剩载流子。这种双组分结构突破了传统"生成即复合"的认知框架。

指数衰减光生率的启示

对于更接近实际的指数衰减光生（α减半时穿透深度加倍），研究发现：当ε=50时，耗尽层宽度x_D>0.6μm可有效抑制深层区域（0.0-0.8μm）的拖尾复合。而界面电场E_MAX>55 kV/cm（对应ε<5.5）能消除结区0.9-1.0μm的峰值复合。这解释了CIGS电池中双梯度带隙设计的物理本质——通过前表面1.4eV带隙将光生推向体内，同时背表面梯度抑制拖尾效应。

该研究建立的电场-光生协同模型，为理解CdTe、钙钛矿等器件的J_SC损失提供了新视角，特别是揭示了传统EQE测量难以捕捉的"拖尾复合"机制。未来通过引入缺陷分布和能带偏移效应，该框架可进一步扩展到异质结体系的设计优化。