疊層太陽(yáng)能電池通過(guò)集成不同能帶隙的子電池來(lái)提高對(duì)太陽(yáng)光譜的利用率。在眾多材料中，Cu (In,Ga) Se?（CIGSe）通過(guò)調(diào)整成分可實(shí)現(xiàn)接近理論最佳帶隙的 1.00 eV，通過(guò)三步納米級(jí)控制制備了高效窄帶隙CIGSe太陽(yáng)能電池，帶隙僅比CISe 大10 meV，實(shí)現(xiàn)了20.26% 的認(rèn)證效率。

制備方法：采用三步納米級(jí)控制制備窄帶隙 CIGSe 太陽(yáng)能電池，包括在吸收層生長(zhǎng)末端蒸發(fā)Ga形成前Ga梯度、沉積高Ga含量的預(yù)CIGSe層形成陡峭的后Ga梯度、在吸收層生長(zhǎng)過(guò)程中采用過(guò)量15%的Cu沉積。樣品分組：制備了不同Ga含量的四組CIGSe吸收層樣品（FG - 0、FG - 5、FG - 10、FG - 20），研究Ga前梯度對(duì)電池性能的影響；通過(guò)不同沉積剖面（Profile A、B、C）制備樣品，控制后Ga梯度斜率，研究其對(duì)電池性能影響；采用Profile C并結(jié)合RbF - PDT制備最終樣品（C - RbF），探索過(guò)量Cu沉積和RbF處理的效果。CIGSe太陽(yáng)能電池不同的沉積工藝

不同剖面沉積序列示意圖

Profile A：展示了正常的三階段沉積過(guò)程，包括在Mo背接觸上生長(zhǎng)高Ga含量的CIGSe層，隨后是標(biāo)準(zhǔn)的In+Se和Cu+Se沉積。

Profile B：引入了預(yù)CIGSe層和第三階段不同Ga含量的沉積，以實(shí)現(xiàn)更陡峭的背面Ga梯度。通過(guò)預(yù)CIGSe層的引入，可以更有效地抑制Ga和In的互擴(kuò)散，從而增強(qiáng)VOC。

Profile C：在第二階段引入過(guò)量Cu沉積，以增加晶粒尺寸并減少缺陷密度，改善載流子傳輸和光吸收。過(guò)量Cu沉積進(jìn)一步限制了Ga和In的互擴(kuò)散，有助于形成更寬的U形雙Ga梯度。不同Ga前梯度含量對(duì)CIGSe太陽(yáng)能電池性能的影響

Ga前梯度對(duì)電池性能的影響

不同Ga含量梯度的CIGSe太陽(yáng)能電池的光伏參數(shù)

VOC：引入適當(dāng)?shù)腉a前梯度可以顯著提高VOC，與沒(méi)有Ga前梯度的CISe相比，F(xiàn)G-10樣品的VOC提高了約44 mV。進(jìn)一步增加Ga含量并不會(huì)繼續(xù)提高VOC，反而可能導(dǎo)致VOC降低。

JSC：樣品FG-0由于缺少Ga且?guī)遁^低，展現(xiàn)出較高的JSC，但FF和VOC較低。引入Ga前梯度后，JSC略有下降，這可能是由于Ga擴(kuò)散導(dǎo)致最小帶隙增加。

FF：引入Ga前梯度的樣品（FG-10）相比FG-0顯示出更高的FF，提高了約2.8%。

Eff：引入Ga前梯度的樣品（FG-10）相比FG-0在效率上有所提高，從約16.8%提高到約18.3%。

J-V曲線和EQE光譜：FG-10樣品在EQE光譜中展現(xiàn)出較好的光譜響應(yīng)，這與其較高的JSC和Eff相一致。

二極管參數(shù)和Urbach能量：隨著第三階段Ga含量的增加，J0和n顯示出先減少后增加的趨勢(shì)，表明在Ga含量約為10%（FG-10）時(shí)達(dá)到優(yōu)化。預(yù)沉積高Ga含量CIGSe 層對(duì)后Ga梯度的影響

通過(guò)SEM和ToF - SIMS對(duì)吸收層的表征

不同樣品（A、B1、B2、C和C-RbF）的光伏參數(shù)

橫截面 SEM 圖像顯示，Sample A 晶粒稍大，Sample B1 和 B2 晶粒較小但相似，可能是由于后界面附近 Ga 含量較高。預(yù) CIGSe 層的引入對(duì)整體 CIGSe 吸收層的晶體形態(tài)無(wú)明顯惡化影響。

GGI 深度剖面表明，Sample A 中 In 和 Ga 的互擴(kuò)散較強(qiáng)，導(dǎo)致后 Ga 梯度從后界面的 GGI 約 0.22 降低到缺口最小值處的約 0.04，形成 V 形梯度，缺口寬度約為 0.40μm；Sample B1 和 B2 通過(guò)引入高 Ga 含量預(yù) CIGSe 層實(shí)現(xiàn)了更陡峭的后 Ga 梯度，斜率分別約為 Sample A 的 1.5 倍，缺口寬度分別為 0.54μm 和 0.75μm，更有利于吸收紅外光，使Jsc增加。不同沉積工藝對(duì)CIGSe太陽(yáng)能電池性能的影響

不同沉積剖面的電池性能

統(tǒng)計(jì)箱線圖展示了不同沉積剖面制備的窄帶隙 CIGSe 太陽(yáng)能電池在有無(wú) RbF PDT 處理下的Voc、Jsc、FF 和 Eff。Profile C 中引入過(guò)量 Cu 沉積使Jsc進(jìn)一步增加，Voc顯著提高；RbF PDT 處理使Voc和 FF 進(jìn)一步提升，PCE 顯著增加。

EQE 光譜顯示了不同樣品在不同波長(zhǎng)下的外部量子效率。C - RbF 樣品在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)都具有較高的 EQE 值，特別是在紅外區(qū)域，其響應(yīng)明顯增強(qiáng)，這得益于其優(yōu)化的帶隙結(jié)構(gòu)和晶體質(zhì)量。與 Profile B 中的樣品相比，C - RbF 樣品在長(zhǎng)波區(qū)域的 EQE 值更高，表明過(guò)量 Cu 沉積和 RbF 處理有助于提高對(duì)紅外光的吸收和利用效率。缺陷分析與性能提升機(jī)制

開(kāi)路電壓提升的缺陷分析

缺陷密度分析：樣品C-RbF顯示出較低的界面缺陷密度，這表明RbF后沉積處理（PDT）有效地減少了界面缺陷，這可能是其較高Voc的一個(gè)因素。

Voc、Eg和Voc,def的變化：樣品C-RbF顯示出最低的Voc,def，這意味著其Voc損失最小，這是實(shí)現(xiàn)高效率的關(guān)鍵因素。Voc隨Eg的增加而增加，但存在一個(gè)最佳范圍，超過(guò)這個(gè)范圍后，Voc的增加可能受到限制。

通過(guò)精確控制Ga梯度和Cu過(guò)量沉積，結(jié)合RbF PDT，可以實(shí)現(xiàn)較低的VOC損失，從而提高太陽(yáng)能電池的效率。缺陷控制對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能CIGSe太陽(yáng)能電池的重要性，尤其是在減少VOC損失和提高開(kāi)路電壓方面。疊層電池性能

鈣鈦礦 / CIGSe 疊層電池性能展示

J-V曲線：濾波后CIGSe電池的J-V曲線與獨(dú)立CIGSe電池有所不同，這是由于頂部鈣鈦礦電池的濾波作用，使其在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收和電流輸出發(fā)生變化。濾波后 CIGSe 電池的Jsc為20.92 mA/cm2，Voc為0.627 V，FF 為76.28%，效率為10.00%。

EQE 光譜分析：獨(dú)立CIGSe電池在紅外區(qū)域具有較高的EQE值，這與其窄帶隙特性相符，能夠有效吸收和轉(zhuǎn)換紅外光。

半透明鈣鈦礦頂電池在可見(jiàn)光區(qū)域的EQE值較高，表明其對(duì)可見(jiàn)光的吸收和利用效率較高。疊層電池的總EQE通過(guò)將各子電池的 EQE 曲線相加得到，展示了疊層結(jié)構(gòu)在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收和轉(zhuǎn)換效率的綜合效果。在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，疊層電池能夠充分利用太陽(yáng)光譜，實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。

疊層電池的關(guān)鍵性能參數(shù)

疊層電池效率達(dá)到 29.02%，在報(bào)道的鈣鈦礦 / CIGS 疊層太陽(yáng)能電池中位居前列。這表明本研究制備的窄帶隙 CIGSe 底電池與寬帶隙鈣鈦礦頂電池的組合具有良好的性能匹配，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的整體光電轉(zhuǎn)換效率。

CIGSe獨(dú)立電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，特別是在開(kāi)路電壓和填充因子方面，這使得它成為串聯(lián)應(yīng)用中的理想底電池。

本研究制備出高效窄帶隙 Cu (In,Ga) Se?太陽(yáng)能電池，通過(guò)三步納米級(jí)控制，優(yōu)化了 Ga 梯度與 Cu 沉積，經(jīng) RbF - PDT 處理，在帶隙僅增 10meV 時(shí)，實(shí)現(xiàn) 20.26% 的認(rèn)證效率。與寬帶隙鈣鈦礦電池組成四端疊層電池，效率達(dá) 29.02%，CIGSe 底電池貢獻(xiàn) 10.0%絕對(duì)效率，為疊層太陽(yáng)能電池發(fā)展提供重要支撐，指明研究方向。美能QE量子效率測(cè)試儀

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原文出處：Highly efficient narrow bandgap Cu(In,Ga)Se2 solar cells with enhanced open circuit voltage for tandem application；https://doi.org/10.1038/s41467-024-54818-6

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