宫俊波和肖旭东团队，Nature Communications：适用于叠层电池的高效率窄带隙Cu(In,Ga)Se2太阳能电池

第一作者：张俊俊

通讯作者：宫俊波*，肖旭东*c

单位：武汉大学，深圳先进技术研究院

近年来，叠层太阳能电池因其在实际应用中有望突破单结太阳能电池固有的肖克利-奎瑟效率极限，已成为研究的前沿领域。通过整合具有不同带隙的多个子电池，叠层太阳能电池旨在更高效地利用太阳光谱。理论上，双节叠层太阳能电池的最佳带隙组合为底电池0.96 eV、顶电池1.62 eV，在理想条件下可实现46.1%的光电转换效率。

目前，宽带隙钙钛矿太阳能电池通常用作叠层电池的顶电池，而底电池的常见选择包括硅（Eg ~ 1.1 eV）、Cu(In,Ga)Se₂（CIGSe，Eg ~ 1.0–1.7 eV）和窄带隙钙钛矿（Eg ~ 1.2 eV）太阳能电池。在这些材料中，CIGSe因其最低可实现1.0 eV带隙的潜力而备受关注，表现出接近理论光电转换效率的最佳潜力。传统带隙的Cu(In,Ga)(S,Se)₂（CIGSSe）太阳能电池已实现23.35%的效率，(Ag,Cu)(In,Ga)Se₂太阳能电池更是创下了23.64%的纪录，受到这些成功的启发，考虑到窄带隙CIGSe在叠层电池领域的特殊意义，近年来正成为一个活跃且充满前景的领域。

基于此，来自武汉大学的肖旭东教授和宫俊波副研究员，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Highly efficient narrow bandgap Cu(In,Ga)Se₂ solar cells with enhanced open circuit voltage for tandem application”的文章。

该文章通过对前后表面Ga梯度的优化，使得铜铟镓硒太阳能电池在1.01 eV带隙下实现了认证的20.26 %效率记录，开路电压损失降低至368 mV,与钙钛矿四端叠层电池的效率达到了29.02 %，其中铜铟镓硒底电池贡献了创纪录的10 %的绝对效率。

通过设计CIGS吸收层的生长过程（Profile），在窄带隙CIGS吸收层的前表面引入适量Ga，并优化其最佳含量。研究表明，该过程虽然重要，适量Ga的引入可有效提升器件的开路电压和效率，但同时会导致CIGS带隙的增加。

要点二：CIGS预制层技术优化背表面Ga梯度

对传统的CIGS“三步共蒸法”进行改进，首先预沉积一层高Ga含量的薄层CIGS以抑制Ga向吸收层中部的扩散；接着在生长的第二阶段采用铜过量生长技术，进一步减少Ga和In的相互扩散。SIMS测试结果显示，这两种方法能够显著减少Ga向中间区域的扩散，提高背表面Ga梯度的陡峭度，增宽带隙最低点的区域并降低其带隙，最终实现理想的“U”型梯度分布。对经过梯度优化的样品采用RbF后处理技术，成功在1.01 eV带隙下实现了20.37%的效率，认证效率达到20.26%。

要点三：缺陷分析

变温导纳谱测试显示，高效率窄带隙CIGS电池中仅存在一种“N1”缺陷类型。进一步通过CV和DLCP测量技术分析了窄带隙CIGS电池的界面缺陷和体缺陷。结果表明，前后表面Ga梯度的优化和铜过量生长技术可显著降低界面和体缺陷密度，这也是效率提升的关键因素。

要点四：与钙钛矿组成的四端叠层电池

将1.01 eV带隙、效率为20.37%的CIGS电池与1.67 eV带隙、效率为19.02%的半透明钙钛矿太阳能电池组装成四端叠层电池。通过引入光学匹配层（index matching）有效解决机械堆叠界面光学损耗问题，最终实现29.02%的四端叠层效率，其中CIGS底电池贡献了创纪录的10%的绝对效率。

Highly efficient narrow bandgap Cu(In,Ga)Se₂ solar cells with enhanced open circuit voltage for tandem application

宫俊波副研究员简介：武汉大学副研究员，硕士生导师，主要从事铜铟镓硒及钙钛矿等薄膜太阳能电池及其叠层电池研究。在 Nature Communications, Energy & Environmental Science，Nano Energy 等期刊发表学术论文 50 余篇，被引一千余次，发明专利 3 项，主持国家自然科学基金项目，武汉市曙光计划项目，参与湖北省技术创新重大专项，武汉市应用基础前沿项目等项目。

1. 太阳能电池：铜铟镓硒（CIGS）、铜锌锡硫（CZTS）电池及硒硫化锑等薄膜太阳能电池，钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池。

2. 表面科学：单自旋的探测及操纵，量子比特的物理实现，纳米结构的量子调控，射频扫描隧穿显微术，新型薄膜的制备及研究。