隨著對(duì)太陽能的需求不斷增長，成本和可持續(xù)性在研究和工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。黃銅礦，如銅銦鎵二硒(CIGSe)，具有可調(diào)的帶隙和高的吸收系數(shù)，是有前途的薄膜技術(shù)之一。

來自杜伊斯堡大學(xué)的學(xué)者利用COMSOL Multiphysics建立了銅銦鎵二硒化(CIGSe)太陽能電池的光電模型，該模型具有多維模擬能力，并應(yīng)用于超薄(500 nm吸收體厚度)太陽能電池。

首先，給出了建模方法。特別關(guān)注背觸點(diǎn)材料、界面狀態(tài)和缺陷應(yīng)用及其對(duì)電流-電壓(J-V)特性的影響。為了解決背接觸是肖特基接觸還是歐姆接觸，給出了肖特基勢壘高度、復(fù)合速度和界面狀態(tài)的影響。

然后，研究了在吸收器背面的受體缺陷梯度和在p-n結(jié)處的施主缺陷密度分布的附加應(yīng)用。討論了這些參數(shù)調(diào)整的結(jié)果，并給出了趨勢，使實(shí)驗(yàn)J-V曲線能夠快速擬合。

最后，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與氧化銦錫和Mo背接觸的J-V曲線進(jìn)行了比較，并討論了擬合過程中遇到的問題。

相關(guān)文章以“Realistic Multidimensional Optoelectrical Modeling Guide for Copper Indium Gallium Diselenide Solar Cells”標(biāo)題發(fā)表在“Solar RRL ”。

圖1. 由3mm /700 μm玻璃、800/300 nm Mo/ITO、500 nm CIGSe(包括15 nm ODC層、50 nm CdS層、80 nm i-ZnO層和300 nm AZO層)組成的層堆。

圖2. 隨界面狀態(tài)變化的CIGSe/背接觸界面示意圖。

圖3. 由于界面態(tài)密度不同，在接觸前CIGSe的費(fèi)米能級(jí)不同的情況下，CIGSe/后接觸結(jié)的能帶圖。a) φm大于CIGSe費(fèi)米能級(jí)時(shí)接觸的“積累”性質(zhì)。b) φm等于CIGSe費(fèi)米能級(jí)時(shí)觸點(diǎn)的“中性”性質(zhì)。c) φm小于CIGSe費(fèi)米能級(jí)時(shí)觸點(diǎn)的“耗竭”性質(zhì)。

圖4. 由衰減長度為25nm、100nm和200nm產(chǎn)生的示例受體缺陷密度分布。

圖5.光伏參數(shù)隨孔勢壘高度φBp和背表面復(fù)合速度Sb的變化規(guī)律。

圖6. 當(dāng)a) φ0 = 0.2 Eg和b) φ0 = 0.8 Eg時(shí)，考慮Di從0到10¹⁴ cm^?2，計(jì)算出孔勢壘高度作為背接觸功函數(shù)的函數(shù)。

圖7. 考慮不同濃度Di的導(dǎo)帶(EC)、價(jià)帶(EV)、電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)(EFn)和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)(EFp)的CIGSe太陽能電池能帶圖：a) 10¹⁰cm^?2,b) 10¹²cm^?2,c) 10¹⁴cm^?2，兩個(gè)不同的φ0為0.2 Eg(實(shí)線)和0.8 Eg(虛線)(功函數(shù)φm = 4.9 EV)。(BC代表背部接觸。)

圖8. 當(dāng)功函數(shù)為4.9 eV時(shí)，a) Jsc和b) Voc隨D_i和φ0的變化。

圖9. 開路電壓Voc隨a D_i、b) φm、c)背級(jí)、d) Ndef(A)的變化而變化。綠色虛線表示在另一次掃描中固定的參數(shù)值。

圖10. 短路電流密度通過改變a)受體缺陷的背級(jí)和b) ODC層的Ndef(D)而變化。綠色虛線表示在另一次掃描中固定的參數(shù)值。

圖11. 通過改變a) NA, b)反向級(jí)配和c) φm來改變分流電阻R_sh。綠色虛線表示在另一次掃描中固定的參數(shù)值。

圖12. 缺陷密度分布對(duì)能帶圖的影響，如圖所示為25和200 nm的背染。這里BC代表背部接觸。

圖13. 比較有代表性的基準(zhǔn)樣品中ITO和Mo背接觸的最佳電池與模擬電池的J-V曲線。

通過改變D_i的φ₀、調(diào)整后界面的N_def(A)和后界面的N_def(D)以及ODC的N_def(A)，該模型可以擬合Mo和ITO背接觸的CIGSe太陽電池的J-V特性。對(duì)于Mo，界面態(tài)降低了勢壘；因此，在CIGSe/Mo界面作為一個(gè)準(zhǔn)歐姆接觸。這很好地描述了MoSe₂在Mo和CIGSe交界處的存在。無論CIGSe/ITO界面態(tài)密度如何，較高的φ₀只會(huì)引起空穴勢壘高度的輕微變化；因此，在ITO和CIGSe的界面處，肖特基樣接觸仍然存在。

結(jié)果表明，V_oc對(duì)D_i、N_def(A)、d_backgrading及φ_m均有依賴性。D_i對(duì)V_oc的影響較小，而φ_m和N_def(A)的影響顯著。衰減長度增加V_oc后退達(dá)100 nm，然后飽和。根據(jù)背觸點(diǎn)材料固定φ_m，通過調(diào)整缺陷和分級(jí)參數(shù)來調(diào)整V_oc，使ITO和Mo實(shí)驗(yàn)結(jié)果相匹配。V_oc作為φ_Bp和S_b的函數(shù)在表征CIGSe/back接觸行為中起決定性作用。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)勢壘高度低于0.25eV時(shí)，V_oc隨表面復(fù)合速度的增加而降低，而當(dāng)勢壘高度高于0.25eV時(shí)，V_oc的下降趨勢轉(zhuǎn)為上升趨勢。這種關(guān)鍵作用源于電荷分布隨表面復(fù)合速度的變化。

不同的缺陷分布對(duì)J_sc也有影響。特別是靠近p-n結(jié)的N_def(D)表現(xiàn)出主要的影響。此外，通過增加底泥，J_sc降低，同時(shí)也影響V_oc和R_sh。由于孔洞擴(kuò)散到背觸點(diǎn)的密度較低，孔洞阻擋高度的增加導(dǎo)致J_sc降低。此外，表面復(fù)合速度作為表示CIGSe中復(fù)合中心數(shù)量的一個(gè)組成部分，對(duì)J_sc有不利影響。此外，ODC內(nèi)部靠近c(diǎn)d接口的N_def(D)對(duì)J_sc的影響類似于衰減長度，但不影響其他特性。對(duì)ODC缺陷的影響主要是由于在p-n結(jié)附近有額外的復(fù)合中心，它可以湮滅新產(chǎn)生的載流子。

N_A、d_backgrading、φ_m對(duì)R_sh有影響。隨著CIGSe層摻雜量的增加，分流電阻減小，而對(duì)于較大的功函數(shù)，分流電阻增大。衰減長度也可以用來提高或降低R_sh。對(duì)串聯(lián)電阻和FF的調(diào)整只能通過模擬中的附加接觸電阻來實(shí)現(xiàn)。

文章來源：COMSOL仿真交流