基于氢化非晶硅碳(a-Si1-xCx:H)合金的透明太阳能电池：从富硅到富碳吸收层的光电性能调控与应用探索

为解决透明光伏(TPV)器件在实现高透明度与高光电转换效率之间的平衡难题，研究人员开展了基于氢化非晶硅碳(a-Si1-xCx:H)合金吸收层的透明太阳能电池研究。通过调控碳含量，实现了平均可见光透射率(APT)>60%和光利用效率(LUE)≈1.3%的突破，并显著提升了器件在室内弱光条件下的性能。该研究为建筑一体化光伏(BIPV)和物联网(IoT)设备提供了兼具高透明度与稳定性的新型光伏解决方案。

　　

在全球加速向太瓦级光伏时代迈进的背景下，透明光伏(Transparent Photovoltaics, TPV)技术因其在建筑一体化光伏(Building-Integrated Photovoltaics, BIPV)、农业光伏和室内物联网设备等领域的应用潜力而备受关注。然而，当前TPV技术面临核心矛盾：高透明度往往以牺牲光电转换效率为代价，而高效率材料又难以满足视觉透光需求。传统非晶硅(a-Si:H)吸收层虽具有良好稳定性，但其在紫外-可见光区的强吸收特性导致器件平均可见光透射率(Average Photopic Transmittance, APT)普遍低于35%，严重限制了实际应用场景。

针对这一技术瓶颈，来自西班牙加泰罗尼亚理工大学(Universitat Politècnica de Catalunya)的研究团队在《Renewable Energy》发表了创新性研究成果。他们通过将碳元素引入非晶硅网络，系统研究了氢化非晶硅碳(a-Si_1-xC_x:H)合金从富硅到富碳组成的光电特性演变，成功实现了透明度与效率的协同优化。该工作不仅为TPV器件设计提供了新材料体系，更揭示了碳含量调控对器件性能的影响规律，为多功能光伏应用开辟了新途径。

研究人员采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制备不同碳含量的a-Si_1-xC_x:H薄膜，通过调节硅烷/甲烷(SiH₄/CH₄)气体流量比实现碳含量(x = C/(Si+C))从0.068到0.494的精确控制。利用紫外-可见-近红外光谱(UV-Vis-NIR)和光热偏转光谱(PDS)表征光学特性，采用格洛放电发射光谱(GDOES)分析元素组成，并通过扫描透射电子显微镜(STEM)结合能量色散X射线光谱(EDS)解析器件微观结构。光伏器件采用FTO/AZO/n-a-Si_1-xC_x:H/i-a-Si_1-xC_x:H/V₂O_x/AZO叠层结构，利用原子层沉积(ALD)技术制备功能层，通过光刻和湿法/干法刻蚀工艺定义器件图形。

3.1. 薄膜特性研究

通过系统光学表征发现，随着碳含量增加，材料光学带隙从1.63 eV显著拓宽至2.46 eV，Urbach能量从62 meV增大至241 meV，表明碳引入虽增大带隙但同时也增加了材料无序度。折射率从3.4降低至1.9，40 nm薄膜的APT值从27.3%提升至89.9%，证实碳掺杂有效增强了可见光区透明度。理想短路电流密度计算表明，带隙拓宽导致理论极限电流从24.7 mA/cm²下降至6.8 mA/cm²，揭示了透明度与光吸收的本征权衡关系。

3.2. 太阳能电池分析

器件性能验证了上述规律：随着碳含量增加，短路电流密度(J_sc)从5.2 mA/cm²降至0.086 mA/cm²，但开路电压(V_oc)从748 mV提升至1052 mV。最优器件在APT=61%时实现LUE=1.28%的突破，远高于传统a-Si:H基TPV器件（APT～25%，LUE～1.5%）。色渲染指数(CRI)达75-87，保证良好色彩保真度。变照度测量(VIM)分析揭示碳引入降低有效迁移率-寿命积(μτ_eff从9.5×10^-11降至0.8×10^-11 cm²/V)，但室内弱光测试表明富碳器件在低照度下仅出现4%效率衰减，显著优于富硅器件。

该研究通过能带工程成功实现了a-Si_1-xC_x:H基透明光伏器件性能的精准调控。研究证实碳含量增加可有效拓宽带隙、提升透明度，但会降低载流子收集效率，需通过超薄吸收层设计补偿。特别值得关注的是，碳引入不仅改善光学性能，还增强器件在室内照明条件下的适应性，这源于其宽禁带特性与室内光源光谱的更好匹配。该技术突破使得非晶硅基TPV器件APT值首次突破60%大关，为建筑窗户、车载玻璃和可穿戴设备等应用场景提供了兼具高透明度、良好稳定性与适用弱光环境的新型光伏解决方案。同时，可调带隙特性也使其成为叠层电池中顶电池的理想候选材料，为下一代高效光伏技术发展提供了新思路。