日本产业技术综合研究所Kamikawa团队SMSC：引入不同金属、不同后处理工序对CIGS太阳能电池的影响

学术 2025-01-17 09:34 四川

光伏技术是减少温室气体排放和满足全球能源需求的重要解决方案，因此收获了大量的研究和产业界关注。近年来，除了追求光伏组件的效率、成本和稳定性，对其轻质、柔性特性也提出了越来越多的要求，以其将其应用在不规则的表面上，例如建筑、车辆、飞行器和空间应用等。从器件结构上，Cu(In,Ga)Se₂（CIGS）是轻质柔性太阳能电池的重要组件，其大约具备1.0 eV的窄带隙，并能很好地兼容柔性基板，因此被认为是柔性太阳能电池的重要潜在候选材料。

近日，日本产业技术综合研究所Yukiko Kamikawa团队报道了一种用于制备CIGS太阳能电池的低温（<400℃）工艺，研究了引入不同金属、不同后处理工序对器件的影响。

在本工作中，研究团队首先评估了Ag合金化、CsF-PDT和碱硅酸盐玻璃薄层（ASTL）对晶体形貌和Ga能级的影响。CIGS层横截面的扫描电子显微镜图像显示，在低温条件下生长的CIGS吸收层（对照组）晶粒尺寸非常小，在数百纳米范围内，而加入Ag前驱体后，晶粒尺寸增大到微米级，而CsF-PDT对晶粒尺寸没有显著变化。

二次离子质谱（SIMS）被用于评估CIGS吸收层中的Ga/（In+Ga）比率。测试结果显示，Ag的引入增强了Ga和In的相互扩散，并缓和了Ga/III 的斜率。CsF-PDT 不影响 Ga/III 深度剖面。由于 Ga 和 In 的相互扩散受到阻碍，引入 ASTL 后，Ga/III 斜率变陡。

之后，团队对三种器件进行了性能分析，包括太阳能电池的转换效率、开路电压(V_OC)、填充因子(FF)和短路电流。结果表明，通过引入Ag合金化、ASTL沉积和CsF-PDT，CIGS太阳能电池的光电转换效率得到提高，这主要归因于V_OC和FF的提高。未进行 Ag 合金化或 CsF-PDT 时，V_OC低至 0.49 V，而进行 Ag 合金化、CsF-PDT 和 50 nm 厚的 ASTL 沉积后，V_OC升高至 0.67 V。其中，在涂有 50 nm厚 ASTL 的 PI 基板上制造的 CIGS 太阳能电池具有最优的性能。

作者表示，本研究报道的改进低温方法能够制备带隙窄至1.03 eV的轻质、柔性太阳能电池。通过 ASTL 沉积、 Ag 合金化和轻碱金属 (Na) 掺杂提高了 CIGS 的质量，而重碱金属后沉积处理 (CsF-PDT) 则改善了界面质量。最优异的CIGS太阳能电池表现出21.2%的高转换效率和≈40 mA cm⁻²的高J_SC。

论文信息：

Highly Efficient Lightweight Flexible Cu(In,Ga)Se₂ Solar Cells with a Narrow Bandgap Fabricated on Polyimide Substrates: Impact of Ag Alloying, Cs and Na Doping, and Front Shallow Ga Grading on Cell Performance

Yukiko Kamikawa*, Jiro Nishinaga, Takeshi Nishida, Shogo Ishizuka

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202400404

点击左下角「阅读原文」，查看该论文原文。

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