AgSbSe?硫属化物在太阳能电池与光电探测器技术中的潜力开发

《Energy Advances》：Unfolding the potential of the AgSbSe2 chalcogenide for advancements in solar cell and photodetector technologies

　　

在太阳能电池和光电探测器中采用单一多功能材料的重要性日益增加，因其对器件性能具有显著影响。本研究首次利用SCAPS-1D提出了高性能硫属化物AgSbSe?基太阳能电池和光电探测器的设计指南与全面模拟。通过综合分析，研究人员将n-CdS窗口层与三种背表面场（BSF）材料——Al_xGa_1?xSb、FeS?和Cu?SnS?（CTS）相结合，突出了多功能光电器件的潜力。在所有研究的结构中，n-CdS/p-AgSbSe?/p?-Al_xGa_1?xSb构型展现了最高的开路电压（V_OC）0.85 V和理想化的功率转换效率（PCE）34.32%，同时填充因子（FF）为86.64%，短路电流密度（J_SC）为46.35 mA cm?2。尽管如此，n-CdS/p-AgSbSe?/p?-FeS?和n-CdS/p-AgSbSe?/p?-CTS结构分别表现出30.37%和30.30%的PCE，对应的V_OC值为0.74 V和0.76 V，突显了其独特的光伏特性。此外，经过适当优化，AgSbSe?基光电探测器在1100 nm波长处展现出0.81 A W?1的显著响应度和2.93 × 101? Jones的优异探测率。由于n-CdS/p-AgSbSe?/p?-Al_xGa_1?xSb具有优越的能带对齐，通过电容-电压（C–V）分析获得了约2.37 V的较高内建电势，从而有效增强了器件的最大V_OC和整体效率。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
太阳能电池技术作为可再生能源的重要分支，正从传统晶硅技术向薄膜太阳能电池（TFSC）转型。尽管晶硅电池占据约90%市场份额，但其间接带隙导致吸收系数低、需厚硅片，且制造温度高（1150–2000 °C）、成本高昂。薄膜太阳能电池（如CdTe、CIGS）虽已实现超22%的认证效率，但CdTe含毒性镉，CIGS依赖稀有金属铟和硒，且两者长期稳定性较差。因此，开发无毒、可持续的硫属化物和钙钛矿材料成为关键。AgSbSe?作为一种新型p型I–V–VI?族硫属化物，具有可调带隙（~1 eV）、高吸收系数（10? cm?1）、高空穴迁移率（1500 cm2 V?1 s?1）和超低热导率，且立方晶体结构提供各向同性的电输运特性，有望克服传统材料的局限。然而，AgSbSe?在光伏领域的研究极少——已有实验器件效率仅约0.4%–3.51%，远低于理论极限。此外，光电探测器方面，现有材料（如PbS/TiS?、MAPbI?等）的探测率和响应度仍有提升空间，且钙钛矿存在稳定性问题。因此，亟需系统性研究AgSbSe?在多结太阳能电池和光电探测器中的潜力。

**研究内容与结论**
研究人员首次利用SCAPS-1D软件对AgSbSe?基双异质结太阳能电池和光电探测器进行了全面模拟和优化。通过结合n-CdS窗口层与三种背表面场（BSF）材料（Al_0.8Ga_0.2Sb、FeS?、Cu?SnS?），系统分析了各层厚度、掺杂浓度、缺陷密度、能带偏移等参数对器件性能的影响。研究得出：n-CdS/p-AgSbSe?/p?-Al_0.8Ga_0.2Sb构型实现了最优光伏性能，开路电压（V_OC）达0.85 V，功率转换效率（PCE）达34.32%，填充因子（FF）为86.64%，短路电流密度（J_SC）为46.35 mA cm?2；同时，该构型在1100 nm波长处表现出0.819 A W?1的响应度和2.93 × 101? Jones的探测率，显著优于无BSF的参考器件。这一成果揭示了AgSbSe?在高性能、稳定光电器件中的巨大潜力，论文发表在《Energy Advances》。

**主要技术方法**
研究人员采用SCAPS-1D（一维太阳能电池模拟软件，由比利时根特大学M. Burgelman团队开发）进行模拟。关键参数包括：AgSbSe?吸收层厚度（0.3–1.1 μm）、掺杂浓度（101?–102? cm?3）、缺陷密度（1011–101? cm?3）；CdS窗口层厚度（0.05–0.25 μm）、施主掺杂（101?–102? cm?3）、缺陷密度（1012–101? cm?3）；BSF层（Al_0.8Ga_0.2Sb、FeS?、CTS）的厚度、受主掺杂和缺陷密度。模拟采用AM1.5G光谱、1000 W m?2光照强度，并设定界面缺陷密度101? cm?2、载流子俘获截面10?1? cm2、热速度10? cm s?1。通过C–V分析计算内建电势，利用公式（5）和（6）评估响应度与探测率。

**研究结果**
**3.1 CdS/AgSbSe?太阳能电池性能**
- **3.1.1 AgSbSe?吸收层的作用**：随着吸收层厚度从0.3 μm增至1.1 μm，J_SC从33.76 mA cm?2升至47.43 mA cm?2；V_OC随掺杂浓度升高而增大，在1.1 μm厚度、102? cm?3掺杂下达0.67 V；FF稳定在83%左右；PCE在0.7 μm厚度、101? cm?3掺杂、1013 cm?3缺陷密度下优化至24.82%。
- **3.1.2 CdS窗口层的贡献**：CdS厚度（0.05–0.25 μm）和缺陷密度（1012–101? cm?3）对V_OC、J_SC、FF、PCE影响极小；施主掺杂在101? cm?3时J_SC和PCE达到峰值，而后下降。优化后CdS厚度0.1 μm、掺杂101? cm?3、缺陷101? cm?3。

**3.2 不同BSF层的CdS/AgSbSe?异质结性能**
无BSF时V_OC=0.63 V、J_SC=44.42 mA cm?2；引入BSF后，FeS?结构J_SC最高（47.79 mA cm?2），Al_0.8Ga_0.2Sb结构V_OC最高（0.85 V）且FF最高（86.64%）。量子效率（QE）显示，FeS?在1240–1316 nm波段仍有响应，提供额外光电流。复合率分析表明，Al_0.8Ga_0.2Sb在p?区复合率最低，利于V_OC提升。C–V分析得出CdS/AgSbSe?/Al_0.8Ga_0.2Sb总内建电势达2.37 V。

**3.3 Al_0.8Ga_0.2Sb作为BSF层的影响**
Al_0.8Ga_0.2Sb厚度（0.05–0.25 μm）、掺杂（101?–1021 cm?3）和缺陷密度变化对V_OC（~0.86 V）、J_SC（~46.3 mA cm?2）、FF（~86.6%）、PCE（~34.3%）几乎无影响，表明载流子限制已充分优化。

**3.4 吸收层电子特性对性能的影响**
- Urbach能量（UE）从0.02 eV升至0.1 eV时，J_SC显著提升，PCE增至36.41%，V_OC和FF基本不变。
- 缺陷电荷态（中性、单施主、单受主等）对PV参数无影响。
- 空穴迁移率（500–1700 cm2 V?1 s?1）和电子迁移率（50–500 cm2 V?1 s?1）变化不改变PV参数，表明载流子输运非限制因素。

**3.5 器件电阻与温度的影响**
- 串联电阻（R_S）从0增至5 Ω cm2时，FF从86%降至61%，PCE从34.3%降至24.5%。
- 并联电阻（R_sh）从1增至5 kΩ cm2时，FF和PCE略有提升。
- 温度从275 K升至400 K时，V_OC从0.87 V降至0.77 V，FF从87.6%降至82.2%，PCE降至29.4%。

**3.6 AgSbSe?光电探测器的效能**
无BSF时响应度峰值0.76 A W?1（1100 nm），探测率峰值3.95 × 1013 Jones（1079 nm）；引入Al_0.8Ga_0.2Sb后响应度升至0.819 A W?1，探测率升至2.93 × 101? Jones（1100 nm）；FeS?结构在1139 nm处响应度达0.867 A W?1，探测率3.68 × 101? Jones。

**3.7 优化性能总结**
n-CdS/p-AgSbSe?/p?-Al_0.8Ga_0.2Sb实现最佳PCE 34.32%、V_OC 0.85 V、J_SC 46.35 mA cm?2、FF 86.64%；光电探测器响应度0.819 A W?1、探测率2.93 × 101? Jones。所得PCE为理论上限，实际器件会面临光学和电学损耗。

**结论**
本研究成功揭示了新型AgSbSe?基太阳能电池和光电探测器的潜力。通过SCAPS-1D系统优化，n-CdS/p-AgSbSe?/p?-Al_0.8Ga_0.2Sb双异质结结构实现了最佳光伏性能（PCE 34.32%，V_OC 0.85 V，J_SC 46.35 mA cm?2，FF 86.64%）和优异光电探测性能（响应度0.819 A W?1，探测率2.93 × 101? Jones）。Al_0.8Ga_0.2Sb BSF层将内建电势从0.94 V提升至2.37 V，增强了V_OC、PCE和探测率。p-AgSbSe?与p?-Al_0.8Ga_0.2Sb异质界面的优越能带对齐是提升V_OC的关键。该构型被认定为可行且高效的光伏与光电探测器件，具有高稳定性和实际应用潜力。