通过界面敏感性表征方法弥合Sb2Se3太阳能电池中模拟结果与实验结果之间的差异

《Materials Chemistry and Physics》：Bridging the simulation–experiment discrepancy in Sb2Se3 solar cells through interface-sensitive characterization

　　

Cen-Ci Lin | Yi-Cheng Lin

国立彰化教育大学机电工程系，彰化50007，台湾

摘要

在Sb₂Se₃薄膜太阳能电池中，仿真预测的性能与实验观察到的性能之间存在差异，这仍然是一个关键挑战。本研究通过结合数值模拟与界面敏感特性分析来探究这一差距的起源。SCAPS-1D仿真预测带有CdS和Zn(S,O)缓冲层的Sb₂Se₃器件的效率相当（约16%），而优化后的Zn(S,O)基架构实现了16.76%的效率。然而，实验结果表明趋势相反：基于CdS的电池效率略高于基于Zn(S,O)的电池（分别为7.17%和7.08%）。为了解决这一差异，采用了纳米级界面表征方法，包括开尔文探针力显微镜（KPFM）、导电原子力显微镜（C-AFM）以及紫外光电子能谱/低能逆光电子能谱（UPS/LEIPS），研究了晶界静电、局部电流传输和界面带对齐情况。结果表明，Sb₂Se₃/CdS界面具有较大的电活性晶粒、稳定的晶界势垒（80–120 mV）、抑制的漏电流以及近乎平坦的导带对齐（ΔEc = +0.01 eV）；而Sb₂Se₃/Zn(S,O)界面则显示出显著的导带台阶（ΔEc = ?0.61 eV），这有利于基于CdS的电池获得更高的开路电压（Voc）和填充因子（FF）。这些界面特性能够预测实验行为，但被简化的SCAPS-1D仿真模型所忽略。本研究表明，界面属性可以主导光伏性能，并颠覆仿真预测的趋势，为评估Sb₂Se₃太阳能电池提供了基于界面的敏感分析框架。

引言

锑硒化物（Sb₂Se₃）作为一种薄膜光伏吸收剂受到了广泛关注，因其原料丰富、毒性低、带隙适宜（1.1–1.3 eV）和吸收系数高（>10⁵ cm^-1）[1], [2]。其准一维带状晶体结构进一步促进了载流子的定向传输，使得近年来Sb₂Se₃太阳能电池的效率迅速提高至10%以上[3], [4], [5]。然而，器件效率仍远低于肖克利-奎瑟极限，电压和填充因子相关的损耗限制了性能的提升[6]。

电子传输层（ETL）及其与Sb₂Se₃的界面被广泛认为是影响载流子提取和界面复合的关键因素。因此，由于CdS具有有利的带对齐性和成熟的沉积工艺[7], [8]，它被广泛用作传统缓冲层。然而，镉的毒性和日益严格的环境法规推动了开发无镉ETL替代品的研究[9]。

已经探索了多种无镉ETL，包括金属氧化物和硫属化合物，用于Sb₂Se₃太阳能电池[10], [11], [12]。其中，氧化锌硫（Zn(S,O)）因其可调的带结构和低温工艺兼容性而特别有吸引力，并且在CIGS等相关薄膜技术中表现出出色的性能[13], [14], [15]。尽管基于仿真的预测结果很有前景，但Zn(S,O)在Sb₂Se₃器件中的实际效果仍不确定，尤其是在界面电子质量方面。最近在无镉ETL开发方面的进展表明，ETL/Sb₂Se₃界面的带对齐工程对于实现竞争性器件性能至关重要。例如，通过优化后处理工艺沉积的ALD SnOx实现了尖峰状的导带对齐，并创下了7.39%的无镉效率记录[16]；而通过调节组分并钝化体缺陷的ZTO ETL则达到了8.63%的效率[17]。最近，(Zn,Ti)O ETL通过精确控制导带偏移，使无镉Sb₂Se₃光电阴极的转换效率达到最高[18]。

大多数先前对无镉ETL的评估都严重依赖SCAPS-1D仿真来预测带对齐和器件性能[19]。虽然这些模型有助于优化整体参数，但它们通常假设界面是理想的，未能捕捉到多晶Sb₂Se₃吸收剂中重要的晶界静电、缺陷辅助复合和局部带弯曲效应[20]。因此，仿真预测的性能趋势往往与实验观察结果不符。最近的实验和建模研究进一步强调了吸收剂微观结构和晶界属性在限制Sb₂Se₃器件性能中的主导作用。通过快速热处理优化硒化前成核过程可以降低晶界密度和缺陷复合，实现了9.03%的竞争性效率[21]。此外，数值建模表明晶粒尺寸直接通过晶界势垒控制载流子收集效率和质量，证实了晶界静电是主要性能限制因素，这一点无法通过简化的漂移-扩散仿真来捕捉[22]。

在这项工作中，我们通过结合SCAPS-1D仿真与界面敏感的实验技术来解决仿真与实验之间的差异。系统比较了五种代表性的ETL（CdS、SnO₂、Zn(S,O）、ZnSnO和GZO），并使用KPFM、C-AFM和UPS/LEIPS等纳米级表征方法直接探测了界面静电、局部电流传输和带对齐。通过将这些界面属性与器件性能相关联，本研究表明界面效应可以主导光伏行为，甚至颠覆理想化仿真预测的趋势，为评估Sb₂Se₃太阳能电池中的无镉缓冲层提供了实用框架。

章节摘录

SCAPS-1D器件仿真

使用SCAPS-1D（版本3.3.10）进行了数值器件仿真，该软件在漂移-扩散框架内求解了耦合的泊松方程和载流子连续性方程[19], [23]。所有仿真均在AM 1.5G光照（100 mW cm^-2）和300 K条件下进行。基线器件结构为Ag (1000 nm) / ITO (300 nm) / i-ZnO (50 nm) / ETL (50 nm) / Sb₂Se₃ (1000 nm) / Mo (700 nm)，如图1a所示。五种候选ETL材料为CdS、SnO₂、Zn(S,O)、ZnSnO和GZO

SCAPS-1D仿真：ETL材料优化

图2展示了五种ETL材料的对比分析。能带图（图2a）显示ETL/Sb₂Se₃界面处的导带偏移明显不同，而效率比较（图2b）表明在理想化条件下，CdS、ZnSnO和Zn(S,O)的PCE值均超过16%，其中Zn(S,O）的性能与CdS相当。相比之下，GZO的效率约为14.8%，而SnO₂的性能显著较低（约10.2%），这归因于其相对较高的电子

结论

在这项工作中，我们证明了界面属性在控制Sb₂Se₃太阳能电池的光伏性能方面起着决定性作用，可能导致仿真预测与实验观察结果之间存在显著差异。SCAPS-1D仿真表明，在优化条件下，基于CdS和Zn(S,O)的器件可以实现大约16%的效率，其中Zn(S,O)缓冲层的最大仿真效率为16.76%

CRediT作者贡献声明

Yi-Cheng Lin：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、概念规划。Cen-Ci Lin：撰写 – 原始草稿、方法论设计、实验研究、数据分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢根特大学SCAPS-1D软件包的开发者免费公开提供该软件。作者还要感谢国家科学和技术委员会在项目编号114-2221-E-018-012下提供的财务支持。