武汉大学肖旭东教授团队在窄带隙铜铟镓硒电池研究方面取得重要进展
2024/12/30
357新闻网讯（通讯员宫俊波）近日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了武汉大学物理科学与技术学院肖旭东、宫俊波团队关于窄带隙铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其叠层电池的最新研究成果。
论文题为“Highly Efficient Narrow Bandgap Cu(In,Ga)Se2Solar Cells with Enhanced Open Circuit Voltage for Tandem Application”（《具有增强开路电压的高效窄带隙铜铟镓硒太阳能电池用于叠层应用》）。武汉大学物理科学与技术学院张俊俊博士为论文第一作者，肖旭东教授和宫俊波副研究员为通讯作者，武汉大学物理科学与技术学院为第一署名单位。
叠层太阳能电池近年来成为研究的前沿方向，因为它们有望在实际应用中突破单结太阳能电池固有的肖克利-奎瑟效率极限。铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池通过调控In/Ga比例，可实现带隙接近1.0 eV，其叠层电池理论转换效率可超过45%，是作为叠层电池底电池的理想选择。在CIGS太阳能电池的制备过程中，Ga的梯度分布设计至关重要。目前窄带隙CIGS吸收层的Ga梯度设计主要有三种形式：纯CIS吸收层、背表面单梯度CIGS吸收层和双梯度CIGS吸收层。吸收层背表面的Ga有利于载流子传输和界面复合的减少，而前表面的Ga则有利于拓宽PN结处的带隙宽度，从而提升开路电压。然而，在高温生长过程中，Ga容易向吸收层中部扩散，导致最低带隙区域带隙增加。
该研究通过在传统三步法基础上预沉积一层高Ga含量的CIGS层，并结合第二阶段生长过程中达到化学计量点（[Cu]/([Ga]+[In])=1）后进行Cu过量沉积的技术，显著抑制了Ga和In的相互扩散。SIMS表征结果显示，该方法有效扩大了最低带隙区域的宽度，同时降低了最低点的带隙，实现了理想的“U”型梯度分布。随后，研究团队将RbF后处理工艺应用于CIGS电池中，成功在1.01 eV带隙下实现了20.37%的光电转换效率（认证效率为20.26%），开路电压损失仅为368 mV。此外，将窄带隙（1.01 eV）的CIGS电池与宽带隙（1.67 eV）的钙钛矿电池组装成四端叠层电池，叠层效率达到了29.02%，其中CIGS底电池贡献了创纪录的10%的绝对效率。这项工作通过对CIGS吸收层前后表面Ga梯度的精确调控，成功制备出高效的窄带隙CIGS太阳能电池，为未来叠层电池的研究奠定了坚实的基础。
该研究得到了武汉大学“双一流”经费、国家自然科学基金、江苏省“双碳”科技创新专项基金、武汉市知识创新专项的支持，武汉大学分析测试中心提供了设备和技术帮助。
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