通过优化ITO背接触厚度提升Ag-CIGS双面太阳能电池的双面输出功率及其在叠层中的应用

《Carbon Energy》：Boosting Bifacial Output Power of Ag-CIGS Solar Cells by Optimizing ITO Back-Contact Thickness for Tandem Applications

　　

双面Cu(In,Ga)Se₂（CIGS）太阳能电池具有从两侧收集光线的独特优势，可为多种应用提供更高的能量产出。然而，其功率转换效率（PCE）仍受到两个关键因素的制约：（ⅰ）透明导电氧化物（TCO）/吸收层界面处氧化镓（GaO_x）的积聚，以及（ⅱ）界面相关复合，后者在背面光照条件下更为显著。本工作中，研究人员展示了一种优化的氧化铟锡（ITO）背接触策略，其中预镓供应生长与银（Ag）掺入相结合，最大程度减少了GaO_x界面形成并抑制了复合损失。ITO厚度的系统变化揭示了使器件性能最大化的最优构型。改进的双面CIGS太阳能电池在正面光照下实现了17.25%的效率，在双面CIGS类别中排名全球第二，在玻璃基板上背面光照下达到5.77%。该器件表现出优异的器件性能，在1.3倍太阳光（反照率）光照下输出19.05 mW cm^?2，在2.0倍太阳光光照下输出23.03 mW cm^?2。当扩展至四端（4T）钙钛矿/CIGS叠层器件时，该策略在1.3倍太阳光反照率条件下实现了28.42 mW cm^?2，在2.0倍太阳光光照下实现32.26 mW cm^?2——这是迄今为止双面4T叠层架构中报告的最高双面发电密度（BPGD）。

电力是全球应用最广泛且最灵活的能源形式，对全球碳减排至关重要。太阳能因其丰富且清洁的特性，在满足日益增长的能源需求方面具有巨大潜力。尽管光伏（photovoltaic, PV）系统发展迅速，目前已占新增能源装机容量的60%以上，但其成本仍需进一步降低以实现大规模可持续部署。提高单位面积功率输出是关键途径之一。双面光伏技术通过同时捕获直射光和反射光，显著提升了能量产出，为高效、低成本的太阳能发电提供了可行路径。

Cu(In,Ga)Se₂（CIGS）太阳能电池因其高吸收系数、较低的生产成本及可调带隙等特性，被视为理想的双面太阳能电池吸收层材料。然而，与单面CIGS太阳能电池相比，双面CIGS太阳能电池的效率仍显不足。单面CIGS太阳能电池在刚性玻璃上已达到23.6%的峰值效率，在柔性聚合物基板上达到22.2%；而双面CIGS太阳能电池在ITO基板上的效率仅为正面19.77%、背面10.89%。将单面设计中的不透明钼（Mo）背接触替换为透明导电氧化物（TCO）是实现双面操作的必要条件，但这一替换带来了新的技术挑战。

研究表明，当CIGS在TCO背接触上以高于550°C的温度沉积时，可形成欧姆接触。然而，高温生长往往会在界面处诱导氧化镓（GaO_x）的形成，产生高电阻率的二次p-n结，严重劣化器件性能。此外，双面CIGS电池在背面光照下效率降低的问题也十分突出，这主要源于载流子扩散长度较短以及背面界面复合增加。虽然镓（Ga）背面梯度分布有助于缓解此问题，但过量的Ga会促进GaO_x形成，进而损害薄膜质量。将微量银（Ag）掺入CIGS已被证实可通过促进晶粒长大和减少缺陷来优化吸收层质量；在CIGS与ITO背接触之间插入薄Ag层则可改善导电性，形成更优的欧姆界面，降低串联电阻并增强载流子提取，最终提高效率、填充因子及长期稳定性。

叠层太阳能电池（tandem solar cells, TSCs）通过结合具有互补带隙的子电池，能够突破单结器件的肖克利-奎伊瑟极限（Shockley–Queisser limit），最大化利用太阳光谱。对于双结叠层电池，理想的带隙配对为顶电池1.62 eV和底电池0.96 eV，理论上在理想一倍太阳光条件下可达46.1%的效率。近年来，宽带隙钙钛矿（Eg≈1.65–1.68 eV）常被用作顶电池，而硅（Eg≈1.12 eV）和CIGS（Eg≈1.00–1.20 eV）则作为底电池材料。

研究人员在本工作中开展了以下研究并得出相应结论。

**优化策略的提出**：为了应对上述多层面挑战，研究人员设计并实施了一种集成优化策略。该策略的核心在于：通过预镓（Ga）供应生长方法结合银（Ag）掺入，协同抑制GaO_x界面层的形成。在此基础上，系统优化了ITO背接触层的厚度，以实现光吸收增强与界面复合抑制之间的最佳平衡。

**双面CIGS电池的性能优化**：通过对ITO厚度进行系统性调控，研究人员发现存在最优厚度配置可使器件性能最大化。优化后的双面CIGS太阳能电池在正面光照条件下实现了17.25%的效率，该成绩在双面CIGS类别中位列全球第二；同时在玻璃基板上实现了5.77%的背面光照效率。在双面运行模式下，该器件在1.3倍太阳光反照率条件下输出19.05 mW cm^?2，在2.0倍太阳光条件下输出23.03 mW cm^?2，展现出优异的双面发电能力。

**四端叠层器件的应用拓展**：将上述优化策略应用于四端（4T）钙钛矿/CIGS叠层器件时，实现了更为显著的性能突破。该叠层结构在1.3倍太阳光反照率条件下达到28.42 mW cm^?2的输出功率密度，在2.0倍太阳光条件下达到32.26 mW cm^?2，创下双面4T叠层架构中双面发电密度（bifacial power-generation density, BPGD）的迄今最高纪录。

技术方法方面， 研究人员采用了以下关键技术路径：采用预镓供应的共蒸发生长工艺制备Ag-CIGS吸收层；通过改变ITO溅射时间实现背接触厚度的系统性调控；利用标准的光伏器件表征技术评估光电性能；采用四端机械叠合方式构建钙钛矿/CIGS叠层器件；并在标准测试条件及模拟反照率条件下进行双面光照测试。

在讨论部分，研究人员进一步强调了该优化策略的多重优势。预镓供应生长法通过调控镓的分布模式，从源头上减少了高温工艺中GaO_x在TCO/CIGS界面的富集；银的掺入则通过改善晶体质量和界面接触，进一步抑制了界面复合损失。ITO厚度的优化则在保证足够光学透明度的同时，兼顾了电学传导性能，避免了过薄导致的串联电阻增大或过厚引起的光吸收损失。这一系列协同优化最终实现了双面性能的同步提升。

研究结论指出，优化后的双面CIGS太阳能电池在双面输出和叠层应用方面取得了显著进展。具体的效率数据证实了该策略的有效性：正面17.25%、背面5.77%的效率，以及叠层结构中创纪录的双面发电密度，均表明通过界面工程和背接触优化可充分发挥双面CIGS技术在高效率光伏系统中的潜力，为该技术在叠层光伏领域的实际应用奠定了重要基础。