高性能地球储量丰富的Cu2MnSnS4/FeSi2双吸收层太阳能电池：基于SCAPS-1D的计算优化

《Materials Today Communications》：High-Performance Earth-Abundant Cu 2MnSnS 4/FeSi 2 Dual-Absorber Solar Cells: Computational Optimization Using SCAPS-1D

　　

充分利用整个太阳光谱仍然是薄膜光伏领域的一项重大挑战，双吸收层架构可通过拓展光谱吸收范围并减少透射损失和热化损失来有效应对这一挑战。在地球储量丰富的薄膜材料中，铜锌锡硫（kesterite）类化合物颇具吸引力；然而，常规Cu₂ZnSnS₄（CZTS）存在阳离子无序和二次相生成等问题。以Mn取代Zn得到Cu₂MnSnS₄（CMTS），其具有改善的结构和光电性能。尽管具备上述优势且双吸收层策略潜力巨大，基于CMTS的双吸收层器件仍未得到充分探索。为填补这一空白，研究人员首次提出并研究了一种以FeSi₂作为次级吸收层的CMTS基双吸收层结构。以CdS作为电子传输层、Cu₂O作为空穴传输层，采用一维太阳能电池电容模拟器（SCAPS-1D）系统分析了关键几何参数（层厚度）、电子参数（掺杂浓度和缺陷密度、接触功函数）以及环境参数（温度、光照强度）对器件性能的影响。FeSi₂凭借其窄带隙和强近红外吸收特性，与CMTS的可见光吸收形成互补，实现了增强的光谱利用率和改善的载流子收集。优化后的器件实现了34.9%的功率转换效率（PCE），代表了当前建模框架下的上限，并超过了此前报道的CMTS基单吸收层（31.51%）和双吸收层（12.86%）结构。除模拟性能指标外，地球储量丰富材料的使用以及各组成层与既有薄膜制备技术的兼容性表明，CMTS/FeSi₂作为下一代可持续光伏技术中一种有前景的双吸收层架构具有实际可行性。

**CMTS/FeSi₂双吸收层薄膜太阳能电池的SCAPS-1D计算优化与性能研究**

**一、研究背景与意义**

全球能源需求持续增长以及化石燃料使用带来的环境问题，推动可再生能源技术加速发展。在光伏领域，晶体硅（c-Si）电池虽以超过26%的效率主导市场，但其高能耗的晶圆加工过程、较厚的吸收层需求以及固有的Shockley-Queisser（SQ）效率极限制约了进一步发展。薄膜太阳能电池因材料消耗少、成本低且可柔性化设计而成为重要替代路径，但主流技术如碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）分别面临镉的毒性和铟、镓等稀缺元素依赖问题。铜锌锡硫（CZTS）类kesterite材料因直接带隙（约1.5 eV）和高吸收系数受到关注，然而Cu-Zn反位无序和ZnS二次相生成等问题使其效率被限制在约13%左右。以Mn取代Zn得到Cu₂MnSnS₄（CMTS），其较大的Mn离子半径可有效抑制阳离子无序和反位缺陷，同时抑制ZnS二次相的形成，并具有1.3–1.6 eV可调带隙和低成本、无毒、地球储量丰富等优势。然而实验制备的CMTS电池效率普遍低于2%，远未达理论潜力，因此需借助数值模拟指导器件优化。同时，单结器件受SQ极限（约33%）约束，双吸收层架构通过堆叠互补带隙的两个吸收层可同时降低热化损失和透射损失，是突破单结效率瓶颈的可行策略。FeSi₂具有约0.80–0.87 eV的窄直接带隙和超过1×10⁵ cm^-1的吸收系数，适合捕获近红外（NIR）光谱，且由地球储量丰富的Fe和Si元素组成，化学稳定性优异。然而此前仅有一项基于CMTS的双吸收层模拟研究（采用Sb₂Se₃，效率仅12.86%），CMTS与FeSi₂的协同应用尚属空白。基于此，研究人员首次提出Al/ITO/CdS/CMTS/FeSi₂/Cu₂O/Au双吸收层结构，采用SCAPS-1D开展系统优化研究。该论文由Hasib Md Abid Bin Farid和Md Tashfiq Bin Kashem撰写，发表在《Materials Today Communications》。

**二、主要技术方法**

研究人员采用比利时根特大学开发的SCAPS-1D（版本3.3.12）太阳能电池电容模拟器进行数值求解，该软件通过联立求解一维泊松方程和载流子连续性方程模拟器件稳态行为。光学吸收采用“Eg-sqrt”模型计算，并纳入辐射复合、俄歇复合和Shockley-Read-Hall（SRH）复合机制。所有模拟均在标准AM1.5G光谱、1000 W/m²光照强度和300 K工作温度下进行。器件结构为Al/ITO/CdS/CMTS/FeSi₂/Cu₂O/Au，各层材料的厚度、带隙、电子亲和势、介电常数、迁移率、掺杂浓度和缺陷密度等参数均取自已发表的实验报告和成熟计算研究文献（原文Table 1和Table 2），并逐项进行单参数扫描和双参数协同优化。

**三、研究结果**

**3.1 单吸收层与双吸收层对比**

在相同条件下对比CMTS单吸收层和CMTS/FeSi₂双吸收层器件，结果表明双吸收层结构使J_SC从19.31 mA/cm²大幅增至51.04 mA/cm²，V_OC从1.126 V降至0.704 V，FF从81.25%略降至75.1%，PCE从17.67%显著提升至26.97%。EQE光谱显示双吸收层器件响应范围从约780 nm拓展至1100 nm以上，证实FeSi₂有效捕获了CMTS透射的长波长光子。

**3.2 CMTS厚度与掺杂浓度**

系统改变CMTS吸收层厚度和受主掺杂浓度发现，高掺杂提升V_OC和FF但降低J_SC，增加厚度延长光程从而提升J_SC，但过厚会增加体复合。最佳性能需在足够厚度与中高掺杂之间取得平衡。

**3.3 FeSi₂厚度与掺杂浓度**

FeSi₂掺杂浓度升高可提升V_OC和FF，厚度增加则提升J_SC。PCE随掺杂和厚度增加而上升，适宜采用中高掺杂配合足够厚度。

**3.4 CMTS与FeSi₂厚度的综合影响**

同时变化两个吸收层厚度发现，CMTS厚度低于0.2 μm且FeSi₂厚度超过0.5 μm时获得最佳PCE，这一构型在光吸收、载流子输运和复合动力学之间达到最优折中。

**3.5 CMTS与FeSi₂掺杂浓度的综合影响**

当CMTS掺杂低于10¹⁷ cm^-3、FeSi₂掺杂高于10²⁰ cm^-3时PCE最高。轻掺杂CMTS保证少数载流子扩散长度和与CdS的能带匹配，重掺杂FeSi₂提供强内建电场促进空穴输运并抑制界面复合。

**3.6 ETL厚度与掺杂浓度**

CdS电子传输层（ETL）的厚度和掺杂变化对器件性能影响极小。作为宽带隙光学透明缓冲层，CdS仅需达到最低厚度和掺杂即可有效支撑内建电势和选择性载流子输运。

**3.7 HTL厚度与掺杂浓度**

Cu₂O空穴传输层（HTL）的厚度和掺杂同样对性能影响微弱，仅在高掺杂时PCE有约1.2%的小幅提升，因其不参与光吸收，主要起促进空穴提取和阻挡电子回流的作用。

**3.8 CMTS与FeSi₂体缺陷密度**

性能在缺陷密度约10¹⁵ cm^-3以下保持稳定，超过后急剧下降。CMTS缺陷对J_SC影响更大，因CMTS吸收可见光区最强光谱；FeSi₂缺陷对V_OC影响更显著，因双吸收层结构的准费米能级分裂受窄带隙吸收层限制。

**3.9 界面缺陷密度**

CMTS/FeSi₂界面缺陷超过10¹⁴ cm^-3后所有参数一致劣化。CdS/CMTS界面相对稳定，至10¹⁵ cm^-3才出现缓慢退化。FeSi₂/Cu₂O界面则表现出更强敏感性，V_OC随缺陷密度增加持续下降。

**3.10 前后接触功函数**

前接触功函数在3.8–4.4 eV范围可获得稳定高性能，超过4.4 eV将形成肖特基势垒，导致FF和PCE急剧下降。后接触功函数超过5.0 eV后接近Cu₂O电离能，形成近似欧姆接触，FF和PCE趋于饱和。

**3.11 串联和并联电阻**

串联电阻主要影响FF和PCE，对V_OC和J_SC影响很小。并联电阻低于10² Ω·cm²时V_OC和FF急剧下降，高于10³ Ω·cm²后性能趋于稳定。

**3.12 温度**

在275–500 K范围内，V_OC随温度升高单调下降，J_SC基本不变，FF持续降低，PCE以温度系数-0.049% K^-1线性递减。

**3.13 入射光强度**

V_OC随光强对数增加，J_SC线性增加，FF因串联电阻影响逐渐下降，PCE总体随光强增加。在200 W/m²弱光下仍保持25.3%的效率，显示良好的弱光响应潜力。

**3.14 优化器件**

综合各参数优化后，器件在标准条件下实现V_OC = 0.79 V，J_SC = 51.07 mA/cm²，FF = 85.91%，PCE = 34.9%。光谱响应范围约375–1400 nm，在对比的近年前沿双吸收层和叠层器件中具有最宽的近红外响应。

**四、总结与结论**

研究结果表明，引入FeSi₂作为次级吸收层可使CMTS基器件的PCE从17.67%提升至26.97%，参数优化后进一步达到34.9%的模拟上限效率，显著超过文献报道的CMTS单吸收层（最高31.51%）和双吸收层（12.86%）器件。所有组成材料均地球储量丰富、化学稳定，并兼容磁控溅射、喷雾热解、电沉积、化学浴沉积等成熟薄膜制备技术，具有良好的实验可行性。研究同时指出，该效率是理想光学条件和优化参数下的模拟上限，实际器件可能因材料质量和制备工艺限制而偏低。未来需通过实验制备验证该结构的实际光电性能，并进一步研究界面钝化策略、梯度结和长期稳定性。该工作为CMTS/FeSi₂双吸收层太阳能电池的实验探索提供了系统的理论指导和明确的设计准则，展示了其作为高效、可规模化、可持续光伏技术的显著潜力。