高效超薄CIGSe太阳能电池：缺陷工程与背表面场设计

《RSC Advances》：High-efficiency ultra-thin CIGSe solar cells: defect engineering and back-surface field design

　　

本研究对具有420 nm吸收层的高效超薄CIGSe/CdS/i-ZnO/ITO太阳能电池进行了全面的SCAPS-1D模拟，重点关注关键物理参数和背表面场工程的影响。研究人员系统研究了CIGSe中的受主掺杂浓度（N_a = 10¹³ 到 10¹⁸ cm^?3）、界面缺陷密度（N_i–t = 10⁹ 到 10¹⁸ cm^?3）、体缺陷密度（N_t = 10¹² 到 10²⁰ cm^?3）和电子亲和能（χ = 4.35–4.65 eV）的影响。增加N_a通过增强内建电场和提高载流子浓度显著提升了器件性能，从而改善了开路电压（V_oc）、填充因子（FF）和效率。相反，升高的界面和体缺陷密度导致严重的复合损失和所有光伏参数的显著退化。在χ ≈ 4.35 eV处获得了最佳能带对齐，对应于轻微的负导带偏移，这有利于载流子传输并抑制复合。复合分析表明，辐射复合系数在10^?16 到 10^?8 cm³ s^?1范围内表现稳定，而俄歇复合在系数超过10^?23 cm⁶ s^?1时成为主导。在所研究的背表面场层中，Cu₂O因其宽带隙（2.2 eV）和强背表面电场提供了最佳性能，实现了约40.3%的最大模拟效率，V_oc = 0.817 V，J_sc = 30.03 mA cm^?2，FF = 82.88%。电容-电压和Mott-Schottky分析表明，随着N_a增加，电容从57.6增加到109.9 nF cm^?2，内建电位范围从0.80 V到1.32 V，证实了增强的结特性。这些结果为通过缺陷控制、能带对齐调控和背表面场设计优化超薄CIGSe太阳能电池提供了实用指南。

**研究背景与问题**
薄膜太阳能电池中，CIGSe（铜铟镓硒）因其高吸收系数（>10⁵ cm^?1）和可调带隙（1.0–1.7 eV）成为关键吸收层材料。然而，铟的天然有限丰度导致生产成本高昂。为解决这一问题，研究人员尝试将吸收层厚度减薄至500 nm以下（称为超薄薄膜），以降低材料成本、促进光生载流子快速输运并减少复合。但超薄吸收层仅能吸收少量光子，限制了光生载流子的产生，降低器件性能。为此，研究人员采用光捕获技术或背表面场（BSF）层来提升效率。BSF层是重p⁺掺杂层，位于背接触和p型吸收层之间，通过建立强电场引导少数载流子（电子）从吸收层向耗尽区移动，减少背接触复合，提升载流子收集效率。尽管已有多种BSF材料（如SnS、Cu₂O、Sb₂S₃等）被研究，但对于超薄CIGSe电池中关键缺陷参数和BSF设计的系统优化仍不充分。本文旨在通过SCAPS-1D模拟，系统研究受主掺杂浓度（N_a）、界面缺陷密度（N_i–t）、体缺陷密度（N_t）、电子亲和能（χ）以及三种BSF层（Sb₂S₃、CuO、Cu₂O）对超薄（420 nm）CIGSe太阳能电池性能的影响，为实验制备提供指导。论文发表在《RSC Advances》。

**关键的技术方法**
研究人员采用SCAPS-1D（一维太阳能电池电容模拟器）进行数值模拟。基于前期利用脉冲激光沉积（PLD）技术制备的单晶CIGSe吸收层（厚度420 nm，带隙1.37 eV，载流子迁移率通过四探针霍尔效应测量）的实验参数建立模型。模拟中系统变化N_a（10¹³–10¹⁸ cm^?3）、N_i–t（10⁹–10¹⁸ cm^?3）、N_t（10¹²–10²⁰ cm^?3）和χ（4.35–4.65 eV），并引入不同厚度（10–100 nm）的Sb₂S₃、CuO和Cu₂O作为p⁺型BSF层。在100 mW cm^?2光照条件下计算光伏（PV）参数，同时进行电容-电压（C–V）和Mott-Schottky（M–S）分析（频率10⁶ MHz）。样本队列来源为研究人员此前制备的CIGSe薄膜（无额外队列来源说明）。

**研究结果**
以下保留原文小标题：

**2.1 吸收层受主缺陷密度（N_a）的影响**
通过增加N_a从10¹³ cm^?3到10¹⁸ cm^?3，V_oc从0.298 V升至0.757 V，FF从26.78%增至55.97%，效率从3.83%升至19.95%。原因：高空穴浓度增强内建电场，减少载流子复合，促进电荷分离。但在极高掺杂下，性能提升趋于饱和，因深能级陷阱可能形成Shockley-Read-Hall（SRH）复合中心。

**2.2 CIGSe/CdS界面缺陷密度（N_i–t）的影响**
当N_i–t从10⁹ cm^?3增至10¹³ cm^?3时，PV参数基本不变；但超过5×10¹³ cm^?3后，V_oc从0.757 V降至0.389 V，J_sc从23.52降至21.60 mA cm^?2，FF从56.54%降至29.78%，效率从20.16%降至5.00%。高界面缺陷通过SRH复合导致严重载流子损失。

**2.3 导带偏移（CBO）的影响**
通过改变CIGSe的电子亲和能（χ=4.35–4.65 eV），发现χ=4.35 eV时形成轻微负导带偏移（ΔE_c = ?0.05 eV，峭壁型结构），有利于电子传输并抑制复合，获得最佳性能。χ=4.65 eV时产生尖峰型势垒，V_oc、J_sc、FF和效率分别降至0.458 V、23.51 mA cm^?2、40.03%和8.62%。

**2.4 产生与复合机制**
**2.4.1 吸收层缺陷密度（N_t）的影响**
N_t从10¹² cm^?3增加至5×10¹⁵ cm^?3时，PV参数稳定；超过10¹⁶ cm^?3后，V_oc、J_sc、FF和效率显著降至0.34 V、7.99 mA cm^?2、32.30%和1.75%。SRH复合成为主导，载流子寿命缩短。

**2.4.2 辐射复合的影响**
辐射复合系数（B_r）在10^?16至10^?8 cm³ s^?1范围内不影响性能；高于10^?8 cm³ s^?1后，效率急剧下降至2.58%（B_r=10^?1 cm³ s^?1时）。辐射复合速率接近甚至超过产生速率时，净载流子产生受限。

**2.4.3 俄歇复合的影响**
俄歇复合系数（B_Auger）在10^?25至10^?24 cm⁶ s^?1范围内无影响；当达到10^?22 cm⁶ s^?1时，复合速率超过产生速率，V_oc、J_sc、FF和效率分别降至0.352 V、7.94 mA cm^?2、39.68%和1.22%。

**2.5 串联电阻（R_s）和并联电阻（R_sh）的影响**
降低R_s从10 Ω cm²到1 Ω cm²显著提升J_sc（23.52→23.83 mA cm^?2）、FF（56.77%→78.98%）和效率（20.25%→28.52%），V_oc基本不变。增大R_sh从10¹到10⁴ Ω cm²同时改善V_oc、J_sc、FF和效率，因减少漏电路径。

**2.6 不同BSF层的影响**
引入BSF层后，背接触处形成电子势垒，减少背表面复合。随着BSF厚度从10 nm增至100 nm，所有BSF层均提升性能：Sb₂S₃使效率从28.33%增至37.05%（V_oc=0.760 V，J_sc=29.84 mA cm^?2，FF=81.66%）；CuO使效率从21.44%增至31.76%（V_oc=0.660 V，J_sc=30.27 mA cm^?2，FF=79.47%）；Cu₂O因宽带隙（2.2 eV）、低电子亲和能（3.2 eV）和高空穴迁移率，效率达40.34%（V_oc=0.817 V，J_sc=30.03 mA cm^?2，FF=82.88%），为最佳BSF材料。

**2.7 CIGSe与BSF层间界面缺陷密度（N_t）的影响**
对于Sb₂S₃ BSF，N_t从10¹⁰ cm^?3增至5×10¹⁷ cm^?3，效率从37.05%降至24.52%；CuO BSF下效率从31.76%降至22.77%；Cu₂O BSF下效率从40.34%降至19.58%（N_t=5×10¹⁵ cm^?3时）。Cu₂O器件对界面缺陷更敏感。

**2.8 电容-电压（C–V）和Mott-Schottky特性**
随N_a从10¹⁷增至10¹⁸ cm^?3，零偏电容从57.57增至109.94 nF cm^?2，内建电位（V_bi）从0.80 V增至1.32 V，表明掺杂增强内建电场和电荷积累。C–f分析显示低频下电容响应包含少数载流子贡献，高频下仅剩耗尽层电容。

**总结讨论**
研究结论部分翻译如下：
本研究系统完成了含有不同p⁺型BSF层（Sb₂S₃、CuO和Cu₂O）的超薄（420 nm）CIGSe/CdS/i-ZnO/ITO太阳能电池结构的SCAPS-1D模拟。结果明确表明器件性能对关键物理和缺陷相关参数高度敏感。受主缺陷密度（N_a）从10¹³ cm^?3增加至10¹⁸ cm^?3显著增强了光伏响应，V_oc从0.298 V提升至0.757 V，FF从26.78%提升至55.97%，效率从3.83%提升至19.95%，这主要归因于载流子浓度增加和更强的内建电场。相反，较高的界面缺陷密度（N_i–t > 10¹³ cm^?3）和体缺陷密度（N_t > 10¹⁶ cm^?3）导致严重的复合损失，大幅降低器件性能。在电子亲和能χ=4.35 eV处获得最佳能带对齐，对应于轻微负导带偏移（ΔE_c = ?0.05 eV），最大限度地减少了异质结界面的复合。复合分析进一步揭示，辐射复合在10^?16至10^?8 cm³ s^?1范围内可忽略，而俄歇复合在超过10^?23 cm⁶ s^?1时成为主导，导致效率快速退化。此外，降低串联电阻（从10 Ω cm²降至1 Ω cm²）和增加并联电阻（从10¹ Ω cm²增至10⁴ Ω cm²）进一步改善了电荷收集并最小化了漏电损失。电容-电压（C–V）和Mott-Schottky分析表明，电容随N_a增加（在V=0时从57.57 nF cm^?2增至109.94 nF cm^?2），指示增强的电荷积累和耗尽区调制。提取的内建电位（V_bi）范围为0.80 V至1.32 eV，证实内建电场强度随掺杂水平提高而增强。在所研究的BSF层中，Cu₂O因其更宽的带隙（2.2 eV）和增强的背表面电场表现出优异性能，实现了40.34%的最大效率，V_oc=0.817 V，J_sc=30.03 mA cm^?2，FF=82.88%。