基于TCAD仿真的双终端Sb2S3/CZTSSe叠层太阳能电池设计与优化研究

本研究针对单结太阳能电池效率受限的问题，通过TCAD仿真设计了一种新型全薄膜、无毒、地壳储量丰富的Sb2S3/CZTSSe叠层太阳能电池。研究人员通过能带对齐优化、缺陷密度控制和厚度协同优化，将转换效率从初始的13.61%显著提升至23.45%，为低成本、环保型高效光伏技术提供了重要设计策略。

　　

随着全球对可再生能源需求的持续增长，太阳能电池技术面临着突破效率极限的重大挑战。传统单结太阳能电池受到 Shockley-Queisser 理论极限的限制，其最高转换效率难以超过33%。这种限制主要源于材料对太阳光谱吸收的局限性：高能光子会产生热损耗，而低能光子则无法被有效利用。为了突破这一瓶颈，研究人员将目光投向了叠层太阳能电池（Tandem Solar Cells, TSCs）技术，通过将不同带隙的半导体材料组合，实现对太阳光谱更宽范围的吸收。

尽管硅基和钙钛矿基叠层电池已取得较高效率，但它们仍面临成本高、制备工艺复杂、材料稳定性差以及毒性等问题。因此，开发基于地球丰富元素、无毒且稳定的新型叠层电池结构成为研究重点。在此背景下，硫化锑（Sb₂S₃）和铜锌锡硫硒（CZTSSe）这两种材料组合显示出独特优势：Sb₂S₃具有1.73eV的宽带隙，适合作为顶电池吸收高能光子；CZTSSe的带隙为1.08eV，能够有效吸收低能光子，两者组合可实现光谱互补。此外，这两种材料均具有低毒、地壳储量丰富和成本低廉的特点，符合可持续发展要求。

本研究采用先进的TCAD仿真工具，对Sb₂S₃/CZTSSe叠层太阳能电池进行了系统设计与优化。研究首先建立了与实验数据吻合的基准模型，然后通过一系列创新策略提升电池性能，最终实现了23.45%的转换效率，为全薄膜叠层光伏技术的发展提供了重要理论与实践基础。

研究采用了几个关键技术方法：通过TCAD Silvaco软件进行详细的光电仿真，包括射线追踪光学建模和漂移-扩散电学传输模型；使用实验验证的器件参数进行模型校准；采用电压损失分析法定量分析辐射和非辐射复合损失；通过能带工程优化异质结界面的能带对齐；系统研究缺陷密度和厚度参数对性能的影响规律。这些方法的综合应用确保了仿真结果的可靠性和实用性。

研究结果部分显示：

在"初始叠层配置"中，模拟显示初始结构的电池效率为13.61%，短路电流密度（J_SC）为16.37mA/cm²，开路电压（V_OC）为1.32V。电压损失分析表明效率损失主要来自顶电池的非辐射复合。

通过"顶电池HTL-free方案"，研究人员移除了空穴传输层，简化了电池结构，虽然效率略微降低至13.31%，但减少了界面复合损失，为提高性能奠定了基础。

在"能带对齐优化"部分，研究通过使用Cd_1-xZn_xS电子传输层调整能带偏移，将效率提升至20.35%。最佳配置为Cd_0.5Zn_0.5S/Cd_0.3Zn_0.7S组合，产生+0.07eV和-0.26eV的导带偏移，显著改善了载流子提取。

"吸收层缺陷浓度"研究表明，将Sb₂S₃和CZTSSe的缺陷密度降至10¹⁴cm^-3以下可减少非辐射复合，使效率达到22.43%。

在"吸收层厚度优化"中，通过协调顶底电池厚度，在电流匹配条件下（顶电池561nm，底电池2μm）实现了23.45%的效率，J_SC为17.96mA/cm²，V_OC为1.67V。

研究结论表明，通过系统优化策略，Sb₂S₃/CZTSSe叠层太阳能电池的效率从初始的13.61%提升至23.45%。这种改进主要源于顶电池非辐射复合的有效抑制和关键参数的协同优化。与其它Sb₂S₃基叠层系统相比，本研究提出的结构在效率方面具有竞争力，同时保持了材料的地球丰富性和环境友好性。

该研究的重要意义在于提供了一条实现高效、低成本、可持续光伏技术的新途径。通过详细的TCAD仿真和优化策略，不仅为Sb₂S₃/CZTSSe叠层电池的实验制备提供了理论指导，也为全薄膜叠层太阳能电池的设计原则提供了重要见解。这项工作推动了无毒、地壳储量丰富材料在高效光伏应用中的发展，对促进太阳能技术的商业化应用和可持续发展具有重要价值。