疊層太陽能電池通過集成不同能帶隙的子電池來提高對太陽光譜的利用率。在眾多材料中，Cu (In,Ga) Se?（CIGSe）通過調整成分可實現(xiàn)接近理論最佳帶隙的 1.00 eV，通過三步納米級控制制備了高效窄帶隙CIGSe太陽能電池，帶隙僅比CISe 大10 meV，實現(xiàn)了20.26% 的認證效率。

制備方法：采用三步納米級控制制備窄帶隙 CIGSe 太陽能電池，包括在吸收層生長末端蒸發(fā)Ga形成前Ga梯度、沉積高Ga含量的預CIGSe層形成陡峭的后Ga梯度、在吸收層生長過程中采用過量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前梯度對電池性能的影響；通過不同沉積剖面（Profile A、B、C）制備樣品，控制后Ga梯度斜率，研究其對電池性能影響；采用Profile C并結合RbF - PDT制備最終樣品（C - RbF），探索過量Cu沉積和RbF處理的效果。CIGSe太陽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程，包括在Mo背接觸上生長高Ga含量的CIGSe層，隨后是標準的In+Se和Cu+Se沉積。

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

Profile C：在第二階段引入過量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。過量Cu沉積進一步限制了Ga和In的互擴散，有助于形成更寬的U形雙Ga梯度。不同Ga前梯度含量對CIGSe太陽能電池性能的影響

Ga前梯度對電池性能的影響

不同Ga含量梯度的CIGSe太陽能電池的光伏參數(shù)

VOC：引入適當?shù)腉a前梯度可以顯著提高VOC，與沒有Ga前梯度的CISe相比，F(xiàn)G-10樣品的VOC提高了約44 mV。進一步增加Ga含量并不會繼續(xù)提高VOC，反而可能導致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擴散導致最小帶隙增加。

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，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，表明在Ga含量約為10%（FG-10）時達到優(yōu)化。預沉積高Ga含量CIGSe 層對后Ga梯度的影響

通過SEM和ToF - SIMS對吸收層的表征

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 CIGSe 層的引入對整體 CIGSe 吸收層的晶體形態(tài)無明顯惡化影響。

GGI 深度剖面表明，Sample A 中 In 和 Ga 的互擴散較強，導致后 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 通過引入高 Ga 含量預 CIGSe 層實現(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CIGSe太陽能電池性能的影響

不同沉積剖面的電池性能

統(tǒng)計箱線圖展示了不同沉積剖面制備的窄帶隙 CIGSe 太陽能電池在有無 RbF PDT 處理下的Voc、Jsc、FF 和 Eff。Profile C 中引入過量 Cu 沉積使Jsc進一步增加，Voc顯著提高；RbF PDT 處理使Voc和 FF 進一步提升，PCE 顯著增加。

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

開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，這是實現(xiàn)高效率的關鍵因素。Voc隨Eg的增加而增加，但存在一個最佳范圍，超過這個范圍后，Voc的增加可能受到限制。

通過精確控制Ga梯度和Cu過量沉積，結合RbF PDT，可以實現(xiàn)較低的VOC損失，從而提高太陽能電池的效率。缺陷控制對于實現(xiàn)高性能CIGSe太陽能電池的重要性，尤其是在減少VOC損失和提高開路電壓方面。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，使其在特定波長范圍內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，能夠有效吸收和轉換紅外光。

半透明鈣鈦礦頂電池在可見光區(qū)域的EQE值較高，表明其對可見光的吸收和利用效率較高。疊層電池的總EQE通過將各子電池的 EQE 曲線相加得到，展示了疊層結構在不同波長范圍內的光吸收和轉換效率的綜合效果。在整個波長范圍內，疊層電池能夠充分利用太陽光譜，實現(xiàn)較高的光電轉換效率。

疊層電池的關鍵性能參數(shù)

疊層電池效率達到 29.02%，在報道的鈣鈦礦 / CIGS 疊層太陽能電池中位居前列。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，能夠實現(xiàn)較高的整體光電轉換效率。

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

本研究制備出高效窄帶隙 Cu (In,Ga) Se?太陽能電池，通過三步納米級控制，優(yōu)化了 Ga 梯度與 Cu 沉積，經 RbF - PDT 處理，在帶隙僅增 10meV 時，實現(xiàn) 20.26% 的認證效率。與寬帶隙鈣鈦礦電池組成四端疊層電池，效率達 29.02%，CIGSe 底電池貢獻 10.0%絕對效率，為疊層太陽能電池發(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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