《Solar RRL》：Visually Transparent and Scalable Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells Through Spatial Segmentation
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为解决建筑集成光伏在视觉透明度与光电效率间的固有矛盾，研究人员开展了一项关于“通过空间分割策略实现视觉透明和可扩展Cu(In,Ga)Se2太阳能电池”的研究。他们提出了一种基于微条带几何设计的半透明光伏架构，在保持全厚度CIGS吸收层光伏质量的前提下，实现了平均可见光透过率(AVT)达40.6%、有效面积效率达10.9%、光利用效率(LUE)达2.2%的半透明迷你组件。这项研究为高性能、色彩中性且美观的建筑光伏窗户提供了可行路径。
研究背景与问题：
将建筑窗户转变为可发电的透明或半透明光伏组件，是实现建筑节能和太阳能广泛部署的关键路径。然而，传统的半透明光伏技术，特别是基于铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2, CIGS)等薄膜材料的方案，通常通过将吸收层厚度从微米级大幅减薄至亚微米级来实现透明度。这种“以厚度换透明”的策略带来了根本性矛盾：减薄吸收层会显著降低其光电转换效率，主要原因是界面复合加剧导致短路电流密度下降；同时，由于材料对不同波长光的吸收不均，减薄还会导致透射光产生明显的色彩（例如，偏向于让长波光通过），使得窗户呈现不希望的色调，影响视觉中性。文献报道显示，半透明CIGS器件在实现约9%的平均可见光透过率时，功率转换效率仅为6%–10%；而效率提升至12%–13%时，透过率又降至7%–8%。因此，如何在不牺牲光伏性能的前提下获得色彩中性的视觉透明度，成为发展高性能建筑集成光伏的紧迫挑战。
研究目标与创新：
针对这一挑战，本项研究在《Solar RRL》上发表的工作提出并验证了一种名为“空间分割”的创新策略。其核心思想并非减薄吸收层，而是将完整的CIGS吸收层图案化成无数条平行排列的、宽度低于人眼视觉分辨率极限的微条带，条带之间是透明的间隙。通过控制条带宽度(W)与间距(S)来设定孔径面积比，从而精确调控器件的整体透明度。由于每个微条带本身仍保持原有的最佳厚度，其本征的光伏质量得以保留。这样，透明度与效率之间不再是“此消彼长”的直接耦合关系，而是可以通过几何设计灵活权衡。这一方法为实现兼具高效率和良好视觉外观的光伏窗户提供了一条新途径。
关键技术方法：
研究主要采用了两种微制造路径来制备微条带结构的CIGS器件。首先是“底向上”方法，在沉积吸收层材料前，通过光刻在基板上预先定义出微沟槽图案。具体研究了两种子策略来抑制材料沉积在沟槽侧壁形成的连续“耳状”结构，因其会导致器件短路：一是使用次氯酸钠漂白液选择性蚀刻钼背电极，形成横向凹槽以中断导电通路；二是采用双层剥离光刻胶技术，形成倾斜的侧壁剖面，从源头上减少侧壁连续沉积。其次，为展示可扩展性，研究采用“顶向下”方法，对已制备完成的、具有标准单块化互连结构的不透明CIGS迷你组件进行图案化处理，通过光刻和湿法化学蚀刻依次去除窗口层、CIGS吸收层和钼背电极，最终形成大面积、串联互连的半透明迷你组件。
研究结果：
3.1 微条带CIGS太阳能电池的形貌
通过扫描电子显微镜对比了未加抑制的参考结构、漂白蚀刻路线和LOR路线所形成的微条带横截面形貌。参考结构显示，Mo和CIGS在光刻胶侧壁形成了连续的“耳状”沉积，这为后续的窗口层沉积提供了直接的旁路漏电通道。漂白蚀刻路线成功地在CIGS下方形成了约3微米的钼层横向凹进，有效打断了侧壁材料的连续性。LOR路线则通过其固有的倾斜剖面，实现了CIGS在Mo上方的连续生长，同时避免了陡直侧壁的沉积。两种策略均成功消除了参考工艺中的侧壁连续性问题，为解决已识别的漏电机理提供了方案。
3.2 微条带CIGS电池的性能
研究人员测量了在同一基底上制备的、宽度为200至1000微米的单个微条带的性能。结果表明，在所有条带宽度下，采用LOR路线制备的器件在效率、开路电压、短路电流密度和填充因子方面均优于漂白蚀刻路线，且参数分布更集中，表明工艺更可靠。漂白蚀刻路线制备的器件则表现出较大的性能波动，这可能与钼层蚀刻过程较难控制有关。从箱线图数据看，LOR器件具有更低、更稳定的串联电阻和系统性的更高旁路电阻，表明漏电路径更少。随着条带宽度增加，两种路线的开路电压和短路电流密度均温和上升，反映出宽线条中串联电阻和边缘效应的减弱。
3.3 半透明CIGS迷你组件的示范
为了评估空间分割策略的可扩展性，研究团队采用顶向下工艺制备并表征了一个半透明迷你组件。该器件在2.92 x 2.35平方厘米的图案化孔径内包含了五个串联电池和36条平行的微条带。光学测试显示其平均可见光透过率达到约40%，色彩还原指数高达98.9，表现出色彩中性的外观。电学性能方面，该迷你组件的总面积效率为5.45%，而其有效面积效率达到10.9%。与同一组件上未图案化参考区域的效率相比，有效面积效率相对下降了16%，这主要归因于短路电流密度从5.54 mA cm-2降至4.60 mA cm-2，而开路电压和填充因子与参考值基本一致。电流损失部分源于图案化蚀刻过程中在条带边缘产生的“死区”。最终，该组件实现了2.2%的光利用效率，在已报道的空间分割CIGS器件中处于较高水平。
结论与重要意义：
本研究证实，空间分割策略为开发高性能、视觉中性的半透明CIGS光伏窗户提供了一条简单有效的途径。通过将吸收层材料分割成亚视觉的微条带，可以在保持全厚度CIGS局部光伏质量的同时，实现色彩中性的光线透过。底向上工艺能够制备微条带，其中LOR定义的工艺已展现出可靠的图案转移能力。更重要的是，通过顶向下方法成功将分割的条带互连成一个高效的迷你组件，证明该架构可以扩展到器件相关面积，且不损害光学中性或电学性能。在40%的平均可见光透过率和5.45%的总面积效率下，迷你组件达到了2.2%的光利用效率。这项工作表明，空间分割是一种可行的架构，能够将高效率且美观的光伏器件集成到建筑窗户中，为解决半透明光伏中透明度与效率的固有矛盾提供了新的解决方案，推动了建筑集成光伏向实用化发展。
