CdSeTe太阳能电池中功率损失的成像研究

《Solar RRL》：Imaging Power Losses in CdSeTe Solar Cells

CdSeTe太阳能电池通过光致发光成像系统分析运行条件下的功率损耗，发现复合损失在MPP主导，隐含电压地图与实际电压存在差异，串联电阻损失约80mV，复合损失达279mV。研究提出基于多光照强度下Ere与iVoc的隐含J-V曲线分析，结合伪J-V曲线分离串联电阻，为CdSeTe效率提升提供新方法。

　　近年来，随着太阳能技术的快速发展，CdSeTe（镉硒碲）作为一类重要的薄膜光伏材料，因其良好的光电性能、成本优势以及较长的模块寿命，已被广泛应用于商业领域。然而，尽管CdSeTe在效率方面取得了显著进展，其实际效率仍仅达到理论极限的约70.5%，这一差距主要来源于电压损失（Voc损失）和填充因子（FF）等关键性能参数的限制。当前的研究大多聚焦于提升CdSeTe太阳能电池的开路电压（Voc），但太阳能电池的实际运行状态是在最大功率点（MPP），而非开路电压条件。因此，仅分析开路电压的损失机制并不能全面揭示实际运行中的性能限制。为了更好地理解并优化CdSeTe太阳能电池的效率，研究者们开发了一种基于相机的光致发光（PL）成像系统，能够实现对cm级面积内多个电池的高分辨率电压损失分析。

该系统的核心在于利用硅探测器、太阳能模拟器以及精心选择的光学滤波器，对CdSeTe器件在不同光照强度下的光致发光进行精确测量。通过这种方式，可以获取具有<20微米分辨率的PL图像，并进一步生成电流密度与电压（iJV）曲线，从而对电池在运行条件下的损失机制进行详细解析。这种技术的优势在于其能够在实际操作条件下对多个电池进行成像分析，克服了传统单点测量和小区域成像方法的局限性，为研究电压损失和填充因子损失提供了新的视角。

实验中使用了Cu掺杂的CdSeTe样品，并在不同光照强度（从1太阳到0.01太阳）下进行了测量。结果表明，不同区域的电压损失机制存在显著差异。例如，在1太阳光照下，某些区域的光致发光效率较高，但在较低光照条件下，这些区域的光致发光效率反而下降，表明其在高载流子密度下可能表现出不同的复合机制。通过对光致发光效率（ERE）和iJV曲线的分析，研究人员发现，尽管某些区域在1太阳光照下具有较高的开路电压，但在实际运行条件下（MPP）却表现出较低的填充因子，从而导致整体效率的下降。这一现象说明，仅依靠开路电压的损失分析无法准确预测运行条件下的电压损失，而需要结合填充因子和系列电阻等因素进行综合评估。

此外，实验还揭示了系列电阻损失在MPP下的重要性。在硅太阳能电池中，系列电阻的测量通常依赖于对JV曲线斜率的分析，而这种方法在CdSeTe电池中的适用性存在争议。研究团队通过构建伪JV曲线（pJV），成功排除了系列电阻的影响，从而更准确地评估了实际运行条件下的电压损失。通过比较pJV曲线与iJV曲线，研究人员能够识别出不同区域的电压损失来源，包括选择性损失（由载流子提取效率决定）、非辐射复合损失（由材料缺陷或界面缺陷引起）以及辐射损失（由光子能量的分布和吸收特性决定）。在实际测量中，发现CdSeTe电池的系列电阻损失约为80毫伏，选择性损失约为22.5毫伏，而非辐射复合损失则占据主导地位，达到279毫伏。这一结果表明，非辐射复合是当前CdSeTe电池效率提升的主要瓶颈。

进一步的分析显示，某些区域在低光照条件下表现出优异的填充因子，而这些区域在高光照条件下的光致发光效率却较低。这表明，CdSeTe电池的性能可能受到材料内部结构变化的影响，例如铜元素的再分布或界面质量的差异。这种现象在单点测量中难以察觉，但通过高分辨率成像技术，研究人员能够清晰地识别出这些区域，并进一步探讨其性能差异的原因。因此，这种成像系统不仅有助于识别局部缺陷和材料不均匀性，还能为优化电池结构和材料特性提供重要的数据支持。

为了确保测量的准确性，该系统还进行了严格的校准。通过使用单晶GaAs作为校准样品，并在相同光照条件下进行测量，研究人员能够将原始的光致发光图像转换为标准化的ERE图像。这一过程包括背景减除，以消除玻璃基底对测量结果的影响。同时，通过对不同光照强度下的ERE数据进行分析，研究人员能够计算出理想电压（Videal），从而进一步推导出iV曲线。这一方法不仅提高了测量的精度，也为理解CdSeTe电池在不同光照条件下的性能变化提供了新的工具。

实验结果还表明，CdSeTe电池的电压损失分析需要在多个层面进行。除了开路电压和填充因子的损失，系列电阻的损失同样不可忽视。通过构建伪JV曲线，研究人员能够排除系列电阻的影响，从而更准确地评估实际电压损失。这一方法在硅太阳能电池中已被广泛采用，但在CdSeTe电池中的应用尚属首次。通过比较pJV曲线与实际JV曲线，研究人员发现，实际运行条件下的电压损失与开路电压下的损失存在显著差异，这进一步说明了电池在不同工作条件下的性能变化机制。

值得注意的是，该系统采用的组件均为常见的商业设备，如太阳能模拟器、高分辨率相机和光学滤波器，这使得其在实际应用中具有较高的可推广性。研究团队认为，这种基于成像的电压损失分析方法不仅适用于CdSeTe电池，还可能对其他类型的薄膜光伏技术（如钙钛矿太阳能电池）产生积极影响。通过提高填充因子和减少非辐射复合损失，CdSeTe电池的效率有望进一步提升，从而缩小其与理论极限之间的差距。

总体而言，这项研究为CdSeTe太阳能电池的效率优化提供了新的思路和工具。通过高分辨率的PL成像系统，研究人员能够更全面地分析电池在实际运行条件下的电压损失机制，从而指导材料设计和工艺改进。同时，该系统在其他光伏技术中的应用前景也十分广阔，为推动整个光伏行业的技术进步提供了重要的支持。未来的研究方向可能包括进一步优化材料界面、改进载流子提取效率以及开发更高效的非辐射复合抑制策略，以实现CdSeTe太阳能电池性能的全面提升。