一作+通讯，太阳能电池最新Nature Energy

LHSRYY 科学百晓生

第一作者：Shih-Chi Yang

通讯作者：Shih-Chi Yang

通讯单位：瑞士联邦材料科学与技术实验室

论文doi：10.1038/s41560-022-01157-9

背景介绍

双面Cu(In,Ga)Se₂(CIGS)太阳能电池具有广泛的应用前景，但其较低的光电转换效率限制了其实际应用。为了提高其效率，需要抑制CIGS/透明导电氧化物界面处GaOx的形成以及该界面附近在背面光照（rear illumination）下的电荷复合。

本文亮点

1.本研究通过银促进CIGS层的低温生长来抑制GaO_x的形成。这一过程也导致了吸收体质量的改善，背界面附近陡峭的Ga梯度，减少了透明导电氧化物的吸收。

2.本工作还报道了在玻璃衬底上的认证双面太阳能电池，在正面光照（Front illumination）和背面光照（rear illumination）下的效率分别为19.77%和10.89%。本工作还直接在柔性衬底上制备了双面太阳能电池。

3.最后，本工作制备了四端结构(four-terminal configuratiion)的双面钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池，在1个太阳光和30%反照率(albedo illumination)光照下，实现了28.0 mW cm^-2的发电密度。

图文解析

▲图1. CIGS/ITO界面的实验设计与材料分析

要点：

1、本工作的方法是在覆盖有SiOx碱扩散阻挡层的钠钙玻璃(SLG)上沉积15 nm的Ag前驱体层和200 nm的ITO层，然后再沉积CIGS吸收体。双面CIGS太阳能电池的结构示意图如图1a所示。

2、为了研究GaO_x中间层的形成，在453~303℃四个标称衬底温度(Tsub)下进行CIGS沉积，对应的样品记为T453、T413、T353和T303。这些吸收剂通过飞行时间二次离子质谱(SIMS)获得的GGI深度剖面如图1b所示。背部梯度高度(∆GGI)定义为背部最大GGI与缺口处最小GGI之差。结果表明，较高的Tsub增强了元素互扩散，降低了Ga回退梯度，尤其是T453，△GGI仅为0.35。相比之下，T303和T353的∆GGI值都在0.55~0.60左右。

3、图1c、d显示了T453和T353的Ga和O信号的EDS mapping图像。线扫描显示，在T453的CIGS/ITO界面处存在2~5 nm的GaO_x中间层，证实了Ga的积累和O信号的早期增加。相比之下，T353没有夹层的证据，有力地说明低温CIGS沉积对于减少或避免GaOx夹层的形成是有效的。

▲图2. CIGS/ITO界面附近CIGS中的失配位错

要点：

1、由于T353中没有GaO_x中间层，本工作不仅在ITO背接触上观察到CIGS的局部外延，还在CIGS一侧观察到"失配位错"，以适应ITO和CIGS之间的晶格失配(图2)。图2c中的红色标记表明了失配位错的位置。在CIGS吸收体的生长过程中，随着吸收体厚度的增加，应变能增加，形成位错来降低总能量。

2、本工作发现，在具有无GaO_x界面的ITO衬底上外延CIGS沉积的可能性，例如，触发具有大晶粒的CIGS层的形成。

▲图3. 正面光照下的光伏(PV)性能

▲图4. 背面光照下的光伏(PV)性能

要点：

1、Mo背接触的CIGS太阳能电池由于具有更好的材料质量，通常会产生更高的PCE和更高的Tsub。然而，对于本工作的ITO背接触的CIGS太阳能电池，本工作确定了一个最佳的Tsub来实现最高的光伏性能。图3a为T303、T353、T413和T453样品在正面光照下的电流密度-电压(J-V)曲线。

2、当Tsub较高时，FF由于较大的表观串联电阻(Rs)限制了器件效率。本工作将这种差异归因于高Tsub下高阻GaO_x中间层的形成。此外，GaO_x的覆盖度和厚度均匀性也能发挥作用。虽然上述因素强烈依赖于设备、工艺等，在不同的研究群体中更难控制和重现，但本工作认为本工作完全去除GaOx的策略更稳健。

3、本工作还进行了外量子效率(EQE)测量(图3b )。样品表现出类似的响应，除了样品T303在长波长处的EQE响应略有降低。这种降低可以从吸收器的质量降低和电荷载流子的收集变差来理解。由于对高VOC的吸收质量和形成GaO_x限制的FF之间的权衡，样品T353在正面光照下获得了最佳的PCE。

4、图4a为双面CIGS太阳能电池在单太阳后光照下的J-V曲线。与正面光照相同，样品T353具有最高的PCE，这主要归因于较高的短路电流密度(J_SC)。图4b给出了背光下EQE的测量结果。短波长下的低EQE响应主要是由于背界面复合和短的光子穿透深度。尽管CIGS沉积后ITO R_sheet值相似且不变，但ITO光学寄生吸收随Tsub增加而增加。造成这种现象的根本原因尚不清楚，但可以推测在Se气氛下高温CIGS沉积过程中，ITO中氧空位的数量可能会发生变化。

▲图5. J_SC损失分析

▲图6. 冠军电池性能以及与最先进的双面太阳电池的比较

▲图7. 四端结构的双面钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池

要点：

1、限制后光照下PCE的主要瓶颈是较低的J_SC。因此，本工作研究和量化了不同的JSC损失机制，并探索了改善J_SC的策略。如图5a、b所示，最高的损耗来自ITO背电极的寄生吸收。T353生长CIGS后ITO的光学透明性下降较少，最大电流增益为3.5 m A cm^-2。需要进一步调整ITO沉积工艺，以最大限度地减少CIGS沉积过程中光学透明度的退化。

2、获得了由弗劳恩霍夫太阳能研究所独立认证的双面CIGS太阳能电池，其效率在前、后单太阳光照下分别为19.77%和10.89%。据本工作所知，这两个值是已报道的双面CIGS器件的最高效率。目前通常采用的在后向照明下获得更高的PCEs的策略是依靠吸收体减薄(≤1000 nm)使空间电荷区更靠近前界面，进而牺牲前向照明下的PCE。本工作的结果证明了一种替代设计，在正面和背面照明下都能获得高性能。当反照率为30%(考虑不同地表的平均反照率)时，预计发电密度为23.0 mW cm^-2。

3、结合本研究提出的效率提升，本工作进一步探索了四端双面钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池。它们的J-V和EQE曲线如图7所示。双面CIGS电池的进一步应用是全薄膜双端双面钙钛矿/CIGS叠层太阳能器件。对于单面叠层器件，宽禁带的钙钛矿(>1.65 eV)有利于满足电流匹配条件。然而，这类涂层通常会遭受卤化物偏析，使其长期稳定性更具挑战性。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-022-01157-9