【儀表網 研發快訊】近日，《自然·通訊》(Nature Communications)在線發表了武漢大學物理科學與技術學院肖旭東、宮俊波團隊關于窄帶隙銅銦鎵硒薄膜太陽能電池及其疊層電池的最新研究成果。
論文題為“Highly Efficient Narrow Bandgap Cu(In,Ga)Se2Solar Cells with Enhanced Open Circuit Voltage for Tandem Application”(《具有增強開路電壓的高效窄帶隙銅銦鎵硒太陽能電池用于疊層應用》)。武漢大學物理科學與技術學院張俊俊博士為論文第一作者，肖旭東教授和宮俊波副研究員為通訊作者，武漢大學物理科學與技術學院為第一署名單位。
疊層太陽能電池近年來成為研究的前沿方向，因為它們有望在實際應用中突破單結太陽能電池固有的肖克利-奎瑟效率極限。銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池通過調控In/Ga比例，可實現帶隙接近1.0 eV，其疊層電池理論轉換效率可超過45%，是作為疊層電池底電池的理想選擇。在CIGS太陽能電池的制備過程中，Ga的梯度分布設計至關重要。目前窄帶隙CIGS吸收層的Ga梯度設計主要有三種形式：純CIS吸收層、背表面單梯度CIGS吸收層和雙梯度CIGS吸收層。吸收層背表面的Ga有利于載流子傳輸和界面復合的減少，而前表面的Ga則有利于拓寬PN結處的帶隙寬度，從而提升開路電壓。然而，在高溫生長過程中，Ga容易向吸收層中部擴散，導致最低帶隙區域帶隙增加。
該研究通過在傳統三步法基礎上預沉積一層高Ga含量的CIGS層，并結合第二階段生長過程中達到化學計量點([Cu]/([Ga]+[In])=1)后進行Cu過量沉積的技術，顯著抑制了Ga和In的相互擴散。SIMS表征結果顯示，該方法有效擴大了最低帶隙區域的寬度，同時降低了最低點的帶隙，實現了理想的“U”型梯度分布。隨后，研究團隊將RbF后處理工藝應用于CIGS電池中，成功在1.01 eV帶隙下實現了20.37%的光電轉換效率(認證效率為20.26%)，開路電壓損失僅為368 mV。此外，將窄帶隙(1.01 eV)的CIGS電池與寬帶隙(1.67 eV)的鈣鈦礦電池組裝成四端疊層電池，疊層效率達到了29.02%，其中CIGS底電池貢獻了創紀錄的10%的絕對效率。這項工作通過對CIGS吸收層前后表面Ga梯度的精確調控，成功制備出高效的窄帶隙CIGS太陽能電池，為未來疊層電池的研究奠定了堅實的基礎。
該研究得到了武漢大學“雙一流”經費、國家自然科學基金、江蘇省“雙碳”科技創新專項基金、武漢市知識創新專項的支持，武漢大學分析測試中心提供了設備和技術幫助。(通訊員宮俊波)
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