叠层太阳能电池通过集成不同能带隙的子电池来提高对太阳光谱的利用率。在众多材料中，Cu (In,Ga) Se₂（CIGSe）通过调整成分可实现接近理论最佳带隙的 1.00 eV，通过三步纳米级控制制备了高效窄带隙CIGSe太阳能电池，带隙仅比CISe 大10 meV，实现了20.26% 的认证效率。

制备方法和样品分组

制备方法：采用三步纳米级控制制备窄带隙 CIGSe 太阳能电池，包括在吸收层生长末端蒸发Ga形成前Ga梯度、沉积高Ga含量的预CIGSe层形成陡峭的后Ga梯度、在吸收层生长过程中采用过量15%的Cu沉积。

样品分组：制备了不同Ga含量的四组CIGSe吸收层样品（FG - 0、FG - 5、FG - 10、FG - 20），研究Ga前梯度对电池性能的影响；通过不同沉积剖面（Profile A、B、C）制备样品，控制后Ga梯度斜率，研究其对电池性能影响；采用Profile C并结合RbF - PDT制备最终样品（C - RbF），探索过量Cu沉积和RbF处理的效果。

CIGSe太阳能电池不同的沉积工艺

不同剖面沉积序列示意图

Profile A：展示了正常的三阶段沉积过程，包括在Mo背接触上生长高Ga含量的CIGSe层，随后是标准的In+Se和Cu+Se沉积。

Profile B：引入了预CIGSe层和第三阶段不同Ga含量的沉积，以实现更陡峭的背面Ga梯度。通过预CIGSe层的引入，可以更有效地抑制Ga和In的互扩散，从而增强VOC。

Profile C：在第二阶段引入过量Cu沉积，以增加晶粒尺寸并减少缺陷密度，改善载流子传输和光吸收。过量Cu沉积进一步限制了Ga和In的互扩散，有助于形成更宽的U形双Ga梯度。

不同Ga前梯度含量对CIGSe太阳能电池性能的影响

Ga前梯度对电池性能的影响

不同Ga含量梯度的CIGSe太阳能电池的光伏参数

VOC：引入适当的Ga前梯度可以显著提高VOC，与没有Ga前梯度的CISe相比，FG-10样品的VOC提高了约44 mV。进一步增加Ga含量并不会继续提高VOC，反而可能导致VOC降低。

JSC：样品FG-0由于缺少Ga且带隙较低，展现出较高的JSC，但FF和VOC较低。引入Ga前梯度后，JSC略有下降，这可能是由于Ga扩散导致最小带隙增加。

FF：引入Ga前梯度的样品（FG-10）相比FG-0显示出更高的FF，提高了约2.8%。

Eff：引入Ga前梯度的样品（FG-10）相比FG-0在效率上有所提高，从约16.8%提高到约18.3%。

J-V曲线和EQE光谱：FG-10样品在EQE光谱中展现出较好的光谱响应，这与其较高的JSC和Eff相一致。

二极管参数和Urbach能量：随着第三阶段Ga含量的增加，J0和n显示出先减少后增加的趋势，表明在Ga含量约为10%（FG-10）时达到优化。

预沉积高Ga含量CIGSe 层对后Ga梯度的影响

通过SEM和ToF - SIMS对吸收层的表征

不同样品（A、B1、B2、C和C-RbF）的光伏参数

横截面 SEM 图像显示，Sample A 晶粒稍大，Sample B1 和 B2 晶粒较小但相似，可能是由于后界面附近 Ga 含量较高。预 CIGSe 层的引入对整体 CIGSe 吸收层的晶体形态无明显恶化影响。

GGI 深度剖面表明，Sample A 中 In 和 Ga 的互扩散较强，导致后 Ga 梯度从后界面的 GGI 约 0.22 降低到缺口最小值处的约 0.04，形成 V 形梯度，缺口宽度约为 0.40μm；Sample B1 和 B2 通过引入高 Ga 含量预 CIGSe 层实现了更陡峭的后 Ga 梯度，斜率分别约为 Sample A 的 1.5 倍，缺口宽度分别为 0.54μm 和 0.75μm，更有利于吸收红外光，使Jsc增加。

不同沉积工艺对CIGSe太阳能电池性能的影响

不同沉积剖面的电池性能

统计箱线图展示了不同沉积剖面制备的窄带隙 CIGSe 太阳能电池在有无 RbF PDT 处理下的Voc、Jsc、FF 和 Eff。Profile C 中引入过量 Cu 沉积使Jsc进一步增加，Voc显著提高；RbF PDT 处理使Voc和 FF 进一步提升，PCE 显著增加。

EQE 光谱显示了不同样品在不同波长下的外部量子效率。C - RbF 样品在整个波长范围内都具有较高的 EQE 值，特别是在红外区域，其响应明显增强，这得益于其优化的带隙结构和晶体质量。与 Profile B 中的样品相比，C - RbF 样品在长波区域的 EQE 值更高，表明过量 Cu 沉积和 RbF 处理有助于提高对红外光的吸收和利用效率。

缺陷分析与性能提升机制

开路电压提升的缺陷分析

缺陷密度分析：样品C-RbF显示出较低的界面缺陷密度，这表明RbF后沉积处理（PDT）有效地减少了界面缺陷，这可能是其较高Voc的一个因素。

Voc、Eg和Voc,def的变化：样品C-RbF显示出最低的Voc,def，这意味着其Voc损失最小，这是实现高效率的关键因素。Voc随Eg的增加而增加，但存在一个最佳范围，超过这个范围后，Voc的增加可能受到限制。

通过精确控制Ga梯度和Cu过量沉积，结合RbF PDT，可以实现较低的VOC损失，从而提高太阳能电池的效率。缺陷控制对于实现高性能CIGSe太阳能电池的重要性，尤其是在减少VOC损失和提高开路电压方面。

叠层电池性能

钙钛矿 / CIGSe 叠层电池性能展示

J-V曲线：滤波后CIGSe电池的J-V曲线与独立CIGSe电池有所不同，这是由于顶部钙钛矿电池的滤波作用，使其在特定波长范围内的光吸收和电流输出发生变化。滤波后 CIGSe 电池的Jsc为20.92 mA/cm²，Voc为0.627 V，FF 为76.28%，效率为10.00%。

EQE 光谱分析：独立CIGSe电池在红外区域具有较高的EQE值，这与其窄带隙特性相符，能够有效吸收和转换红外光。

半透明钙钛矿顶电池在可见光区域的EQE值较高，表明其对可见光的吸收和利用效率较高。

叠层电池的总EQE通过将各子电池的 EQE 曲线相加得到，展示了叠层结构在不同波长范围内的光吸收和转换效率的综合效果。在整个波长范围内，叠层电池能够充分利用太阳光谱，实现较高的光电转换效率。

叠层电池的关键性能参数

叠层电池效率达到 29.02%，在报道的钙钛矿 / CIGS 叠层太阳能电池中位居前列。这表明本研究制备的窄带隙 CIGSe 底电池与宽带隙钙钛矿顶电池的组合具有良好的性能匹配，能够实现较高的整体光电转换效率。

CIGSe独立电池表现出了优异的性能，特别是在开路电压和填充因子方面，这使得它成为串联应用中的理想底电池。

本研究制备出高效窄带隙 Cu (In,Ga) Se₂太阳能电池，通过三步纳米级控制，优化了 Ga 梯度与 Cu 沉积，经 RbF - PDT 处理，在带隙仅增 10meV 时，实现 20.26% 的认证效率。与宽带隙钙钛矿电池组成四端叠层电池，效率达 29.02%，CIGSe 底电池贡献 10.0%绝对效率，为叠层太阳能电池发展提供重要支撑，指明研究方向。

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原文出处：Highly efficient narrow bandgap Cu(In,Ga)Se2 solar cells with enhanced open circuit voltage for tandem application；https://doi.org/10.1038/s41467-024-54818-6