引用本文
曹宇, 凌同, 曲鹏, 王长刚, 赵耀, 那艳玲, 江崇旭, 胡子阳, 周静. 弱光下锑基太阳电池的光谱响应与性能优化[J]. 光谱学与光谱分析, 2024,44(2): 519-526.
CAO Yu, LING Tong, QU Peng, WANG Chang-gang, ZHAO Yao, NA Yan-ling, JIANG Chong-xu, HU Zi-yang, ZHOU Jing. Spectral Response and Performance Optimization of Antimony Based Solar Cells Under Weak Light[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2024,44(2): 519-526.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2024)02-0519-08  
Permissions
Copyright©2024, 《光谱学与光谱分析》期刊社
《光谱学与光谱分析》期刊社 所有
弱光下锑基太阳电池的光谱响应与性能优化
曹宇1,2, 凌同1,2, 曲鹏1,2, 王长刚1,2,*, 赵耀3, 那艳玲3,4, 江崇旭3,4, 胡子阳5, 周静6
1.现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室(东北电力大学), 吉林 吉林市 132012
2.东北电力大学电气工程学院, 吉林 吉林市 132012
3.中国铁路设计集团有限公司, 天津 300308
4.城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程实验室, 天津 300308
5.宁波大学微电子科学与工程系, 浙江 宁波 315211
6.东北电力大学化学工程学院, 吉林 吉林市 132012
*通讯作者 e-mail: wangcg@neepu.edu.cn

作者简介: 曹 宇, 1986年生, 东北电力大学电气工程学院教授 e-mail: ycao@neepu.edu.cn

收稿日期: 2022-09-01 修回日期: 2022-11-01 接受日期: 2022-11-01
基金: 国家自然科学基金项目(52172185, 51772049), 吉林省自然科学基金项目(YDZJ202201ZYTS390), 吉林省教育厅科学技术研究项目(JJKH20220110KJ), 城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程实验室开放课题基金项目(2021HJ05)资助
摘要

锑基薄膜太阳电池因其制备方法简单, 原材料丰富, 光电性能稳定等优点而得到了快速发展。 其中锑基吸光层材料(硫化锑、 硫硒化锑、 硒化锑)具有高吸收系数特点, 因而在室内或者水下等弱光条件下具有相当大的应用潜力。 通过构造两种衰减光谱以研究新型锑基薄膜太阳电池在弱光下的光电响应。 首先通过厚度调节硒化锑太阳电池的吸光能力, 发现当吸光层厚度较薄时, 电池的光电转换效率存在较大差值; 而当吸光层厚度过厚时, 电池性能又因载流子复合的增大而降低。 在吸光层厚度处于合适的0.4~1.2 μm之间时, 硒化锑太阳电池在长波衰减光谱和短波衰减光谱下都能获得高于16%的转换效率。 然后通过硒含量调节锑基太阳电池的光谱吸收范围, 发现长波衰减光谱下, 锑基太阳电池的器件性能显著高于标准光谱, 并且在20%~40%硒含量下能够获得最佳的转换效率。 而在短波衰减光谱下, 锑基太阳电池的最佳性能出现在硒含量为60%的情况下。 因而在弱光条件下, 锑基太阳电池的最佳硒含量需要通过具体的光谱特性确定。 最后研究了两种衰减光谱下, 硫化锑/硒化锑双结叠层太阳电池的光谱响应特性。 发现在短波衰减光谱下, 叠层太阳电池效率会随着总厚度的增加而增加。 而在长波衰减光谱下, 叠层太阳电池的最佳性能能够一直保持在较高水平。 当叠层电池总厚度为2 μm, 且硫化锑顶电池厚度在0.5~1.2 μm之间时, 器件在两种衰减光谱下都能够实现光谱能量在两个子电池中的合理分配, 使得叠层电池效率能够保持在20%以上。 通过该研究对锑基太阳电池器件结构的合理设计, 能够保证单结和双结器件在不同弱光条件下的高性能输出, 为高环境适应性的锑基薄膜太阳电池的研发提供技术支持。

关键词: 锑基薄膜太阳电池; 衰减光谱; 弱光响应; 吸光层厚度; 转换效率
中图分类号:TM914.4+2 文献标志码:A
Spectral Response and Performance Optimization of Antimony Based Solar Cells Under Weak Light
CAO Yu1,2, LING Tong1,2, QU Peng1,2, WANG Chang-gang1,2,*, ZHAO Yao3, NA Yan-ling3,4, JIANG Chong-xu3,4, HU Zi-yang5, ZHOU Jing6
1. Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology, Ministry of Education (Northeast Electric Power University), Jilin 132012, China
2. School of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, China
3. China Railway Design Corporation, Tianjin 300308, China
4. National Engineering Laboratory for Digital Construction and Evaluation Technology of Urban Rail Transit, Tianjin 300308, China
5. Department of Microelectronic Science and Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China
6. School of Chemical Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, China
*Corresponding author
Abstract

Antimony-based thin film solar cells have rapidly developed because of their simple preparation method, abundant raw materials, and stable photoelectric performance. Among them, antimony-based light-absorbing layer materials (antimony sulfide, antimony selenide sulfide, and antimony selenide) have high absorption coefficients; thus, they have considerable application potential in indoor or underwater weak light conditions. In this study, two types of attenuation spectra are constructed to study the photoelectric response of a new antimony-based thin film solar cell under weak light. First, the light absorption capacity of the antimony selenide solar cell is adjusted through thickness. It is inferred that when the light absorber is thin, the photoelectric conversion efficiency of the cell has a significant difference. Moreover, when the light absorber is too thick, the device performance is reduced due to the carrier recombination increase. The conversion efficiency of the antimony selenide solar cell is higher than 16% in both the long- and short-wave attenuation spectra when the thickness of the light absorber is in the appropriate range of 0.4~1.2 μm. Subsequently, the selenium content adjusts the spectral absorption range of the antimony-based solar cell. It is found that the device performance of the antimony-based solar cell is significantly higher than the standard spectrum under the long-wave attenuation spectrum, and the best conversion efficiency is obtained at 20%~40% selenium content. In the short-wave attenuation spectrum, the best performance of the antimony-based solar cells appears when the selenium content is 60%. Therefore, specific spectral characteristics should determine, the optimal selenium content of antimony-based thin film solar cells in weak light conditions. Finally, the spectral response characteristics of antimony sulfide/antimony selenide double junction tandem solar cells are studied under two types of attenuation spectra. It is found that the efficiency of the tandem solar cells increases with the increase in the total thickness under the short-wave attenuation spectrum. However, in the long-wave attenuation spectrum, the best performance of the tandem solar cells can be maintained at a high level. When the total thickness of the tandem solar cell is 2 μm, and the thickness of the antimony sulfide top cell is 0.5~1.2 μm, the devices realize the rational distribution of the spectral energy in the two sub-cells under the two attenuation spectra, which maintains the efficiency of the tandem cell above 20%. Through the reasonable design of the device structure of antimony-based solar cells in this study, the high-performance output of single- and double-junction devices under different weak light conditions can be ensured, and the technical support for the research and development of antimony-based thin film solar cells with high environmental adaptability can be provided.

Keyword: Antimony-based thin film solar cell; Attenuation spectrum; Weak-light response; Thickness of light absorber; Conversion efficiency
引言

近些年, 薄膜太阳能电池因具有材料利用率高、 重量轻、 成本低等优点而发展迅速[1, 2, 3]。 其中锑基薄膜如硫化锑、 硒化锑不仅具有较高的光吸收系数、 丰富的元素含量和稳定的化学性质[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16], 还能够通过多种低成本工艺制备, 如旋涂技术[5, 17]、 气相沉积技术[18]、 快速热蒸发技术[19, 20, 21, 22, 23, 24]等。 特别的是由于硫化锑和硒化锑同属Ⅴ — Ⅵ 族化合物, 性质相似, 晶体结构也相同, 所以可以通过控制锑基材料中的硫、 锑比例调节自身带隙[25, 26]。 2014年, Choi等用硫代乙酰胺对硫化锑表面进行处理, 获得了光电转换效率(PCE)为7.5%的硫化锑薄膜太阳能电池[5]。 2020年, 陈涛课题组通过优化水热沉积参数和退火工艺, 制备出效率为10.0%的硫硒化锑太阳电池[13]。 2022年, 麦耀华和李志强团队通过注入气相沉积技术制备了具有强取向、 高结晶度的致密硒化锑薄膜, 最终取得了10.12%的PCE[27]。 此外, 叠层太阳电池结构能够更为有效的利用太阳光能量, 成为提高电池效率的重要技术[28, 29, 30]。 2020年, 陈涛课题组制备了硫化锑/硒化锑四端双结叠层太阳电池, 获得了7.93%的PCE[29]。 本课题组对硫化锑/硒化锑两端叠层太阳电池进行了建模仿真, 发现该结构可以实现26.64%的理论PCE[31]。 因此, 锑基单结和双结结构薄膜太阳电池均具有较高的发展潜力。

在上述研究中, 通常使用标准太阳光谱AM1.5G测试器件的光电性能, 然而实际中, 照射在太阳电池上的光谱会因地理位置、 气候条件和时间变化等因素而产生衰减。 随着自供电物联网的出现, 特别需要在室内条件下, 能够将低强度的光转换为电能的高效太阳电池[32, 33]。 此外, 在水下弱光条件下, 为保障水下航行器系统和传感器的长期运行, 优化太阳电池的弱光响应也尤为重要[34, 35]。 通过Bahrmi-Yekta等对室内光伏电池的研究结果表明, 当光谱辐照度变窄时, 太阳电池的最大效率极限增加[36]。 Cao等制备的染料敏化太阳能电池, 在弱光条件下的PCE达到32%[37]。 Liu等通过对钙钛矿薄膜进行钝化, 在室内光照强度下获得了40.1%的PCE[38]。 Rohr等的计算结果显示, 水下太阳电池的理论PCE可以达到55%以上[39]。 Janosevic的课题组制备硫化锑太阳电池, 在5%的极低光强下得到了8%~9%的PCE[40]。 Kanda等对钙钛矿/硅串联太阳电池的研究显示, 钙钛矿顶电池能在较低的光照强度下保持高的开路电压[41]。

弱光本质上就是衰减的太阳光, 基于此, 我们采用wx-AMPS一维微电子与光电子分析软件, 构建了短波衰减和长波衰减两种光谱模型, 仿真分析了弱光条件下锑基单结与双结薄膜太阳电池的器件性能。 首先总结了弱光光谱对不同厚度硒化锑太阳电池载流子分布和器件性能的影响。 其次, 分析了硒含量改变对锑基太阳电池在弱光光谱下的性能影响。 最后研究了在衰减光谱下, 锑基叠层电池中各子电池的载流子产生与分配, 以获得具有稳定高性能输出的锑基薄膜太阳电池。

1 器件结构与模拟参数

采用的wx-AMPS模拟软件是南开大学Liu等在AMPS的基础上改进而来[42]。 该软件结合牛顿拉夫逊法和高斯迭代法, 使运算更为快捷的同时, 收敛速度也大大提高。 通过求解电子、 空穴连续方程以及泊松方程得到电池器件的J-V特性、 量子效率、 电子、 空穴浓度以及载流子产生率和复合率等电池特性。

模拟软件基于的三个基本半导体方程如式(1)— 式(3)

d2Ψdx2=qεs[p(x)-n(x)+Nd+-Na-+pt(x)-nt(x)](1)

∂n(x, t)∂t=1q∂Jn∂x+Gn(x)-Rn(x)(2)

∂p(x, t)∂t=1q∂Jp∂x+Gp(x)-Rp(x)(3)

式(1)— 式(3)中, Ψ 为静电势, ε s为介电常数, n和p分别为自由电子和自由空穴, nt和np分别为俘获电子和俘获空穴, Nd+和 Na-分别为施主和受主掺杂浓度, Jn和Jp分别是电子和空穴电流密度, Gn和Rn分别是电子的产生率和复合率, Gp和Rp分别是空穴的产生率和复合率, q为电荷量。

以标准光谱为基准设计了两种衰减光谱, 分别为短波衰减光谱和长波衰减光谱, 如图1(a)所示。 长波衰减光谱: 400 nm处的辐照能量与标准光谱一致, 然后辐照能量随着波长的增加而线性衰减, 在波长为1 100 nm处的辐照能量为标准光谱的20%。 短波衰减光谱: 与长波衰减光谱相反, 1 100 nm处的辐照能量与标准光谱一致, 然后辐照能量随着波长的减小而线性衰减, 在波长为400 nm处的辐照能量为标准光谱的20%。 采用的锑基单结、 双结太阳电池的前、 后电极分别为掺氟二氧化锡(FTO)和金(Au), 电子传输层和空穴传输层材料分别选用二氧化钛(TiO2)和碘化铜(CuI)。 其中单结硫硒化锑电池的器件结构为FTO/TiO2/Sb2(S1-x, Sex)3/CuI/Au; 硫化锑/硒化锑叠层电池的电池结构为FTO/TiO2/Sb2S3/CuI/TiO2/Sb2Se3/CuI/Au, 太阳电池的器件结构如图1(b)所示。

在硒化锑太阳电池中, 硒化锑层的厚度由0.2 μm变化至3 μm。 在硫硒化锑太阳电池中, 电池的带隙在硒含量为0%时的1.7 eV和硒含量为100%时的1.2 eV之间进行调节。 在硫化锑/硒化锑叠层太阳电池中, 总厚度在1~3 μm之间进行调节。 测试温度设定为300 K, 模拟中采用的材料参数如表1所列。

图1 两种太阳光谱与器件结构示意图
(a): 短波衰减光谱和长波衰减光谱; (b): 锑基单结太阳电池结构示意图和硫化锑/硒化锑叠层太阳电池结构示意图Fig.1 Schematic diagram of two spectra and device structures
(a): Short wave attenuation spectrum and long wave attenuation spectrum; (b): Antimony-based single-junction solar cell and Sb2S3/Sb2Se3 double-junction tandem solar cell

表1 锑基薄膜太阳电池材料参数[11, 43, 44, 45] Table 1 Material parameters of the antimony based thin film solar cells[11, 43, 44, 45]
2 结果与讨论
2.1 锑基单结太阳电池的弱光性能研究

图2为不同厚度硒化锑太阳电池在短波衰减和长波衰减光谱下的器件性能。 随着吸光层厚度由0.2 μm逐渐增加到3 μm, 两种光谱下的电池开路电压(Voc)微弱上升后下降, 填充因子(FF)呈下降趋势。 虽然在两种光谱下, 硒化锑太阳电池的短路电流密度(Jsc)随厚度变化的趋势是相同的, 但它们的值却有较大差距。

图2 不同吸光层厚度硒化锑太阳电池在不同光谱下的器件性能
(a): 开路电压; (b): 填充因子; (c): 短路电流密度; (d): 转换效率Fig.2 Device performance of the Sb2Se3 solarcell with different light absorber thicknesses under different spectra
(a): Voc; (b): FF; (c): Jsc; (d): PCE

当硒化锑太阳电池的吸光层厚度为0.2 μm时, 电池在长波衰减光谱下获得的Jsc为18.30 mA· cm-2, 比短波衰减光谱下获得的Jsc高4.86 mA· cm-2。 通过图3(a)载流子产生率(Rgen)分布的对比可以看出, 在整个硒化锑吸收层, 长波衰减光谱下的载流子产生率均高于短波衰减光谱。 更高的载流子产生率意味着此时器件吸收了更多的能量。 图3(b)为硒化锑太阳电池在不同波长太阳光处所贡献的电流密度值。 如图3所示, 两种光谱下硒化锑太阳电池在700~1 100 nm处的响应相差不大, Jsc的差值主要来源于短波响应的不同。 当吸光层厚度较薄时, 短波光由于其较高的吸收系数能够被充分吸收, 而长波光的吸收系数低, 被吸光层吸收的比例也较低。 在短波衰减光谱的照射下, 短波光对硒化锑太阳电池的贡献不高, 且器件对长波光的吸收又不充分, 因此只得到了较低的13.44 mA· cm-2的Jsc。

图3 不同吸光层厚度下硒化锑太阳电池在不同光谱下的器件性能
(a): 吸光层厚度为0.2 μm时的载流子产生率; (b): 吸光层厚度为0.2 μm时不同波长处获得的电流密度和积分电流; (c): 吸光层厚度为1.0 μm时的载流子产生率; (d): 吸光层厚度为1.0 μm时不同波长处获得的电流密度和积分电流; (e): 吸光层厚度为2.0 μm时的载流子产生率; (f): 吸光层厚度为2.0 μm时不同波长处获得的电流密度和积分电流Fig.3 Device performance of Sb2Se3 solar cells with different light absorber thicknesses under different spectra
(a): Carrier generation rate with 0.2 μm light absorber; (b): Current density at different wavelengths and integral current with 0.2 μm light absorber; (c): Carrier generation rate with 1.0 μm light absorber; (d): Current density at different wavelengths and integral current with 1.0 μm light absorber; (e): Carrier generation rate with 2.0 μm light absorber; (f): Current density at different wavelengths and integral current with 2.0 μm light absorber

当硒化锑太阳电池吸光层厚度增加至1 μm时, 器件对太阳光能量的吸收增强, 因此两种光谱下太阳电池的Jsc都有所增大。 通过图3(c)硒化锑太阳电池的光生载流子分布可以看到, 在吸光层深度大于0.3 μm后, 短波衰减光谱下的载流子产生率开始高于长波衰减光谱, 说明吸光层厚度的提高有利于长波光光子的吸收。 由于在短波衰减光谱下, 硒化锑太阳电池在700~1 100 nm处获得了更高的电流[图3(d)], 使得两种光谱电池的Jsc差值缩小至2.48 mA· cm-2。

当硒化锑太阳电池吸光层厚度继续增大至2 μm时, 两种光谱下的电池Jsc值都有所下降, 这是因为随着厚度的增大, 在内建电场减弱的同时, 光生载流子输运到载流子传输层的距离增长, 使得其被复合的数量大大增加。 但厚度的增加也使长波光被更加充分的吸收, 因而在短波衰减光谱下, 电池在700~1 100 nm波段获得的电流有了进一步的提高[图3(f)]。 此时两种光谱下硒化锑太阳电池获得的Jsc十分接近, 其差值仅有0.24 mA· cm-2。

图2(d)为不同厚度硒化锑太阳电池在两种光谱下的转换效率。 当吸光层厚度较薄时, 由于吸光层不能充分吸收长波光, 两种光谱下电池的PCE差值较大; 而当吸光层厚度过厚时, 又会因为载流子复合的增大, 导致电池PCE的降低。 综合以上结果, 当硒化锑太阳电池吸光层厚度处于0.4~1.2 μm之间时, 硒化锑太阳电池在长波衰减和短波衰减光谱下均获得了高于16%的PCE。 在吸光层厚度为0.6 μm时, 硒化锑太阳电池在AM 1.5G光谱下获得了19.69%的最大PCE, 略小于其在长波衰减光谱下的PCE。 基于对硒化锑太阳电池载流子收集特性的深入理解和厚度的细致调节, 可以使硒化锑太阳电池在器件性能较为优异的同时, 在弱光光谱环境下也能保持稳定的功率输出。

接下来研究了不同硒含量锑基太阳电池在衰减光谱下的性能表现, 我们也仿真出了器件在AM1.5G光谱下的光电性能作为对比, 结果如图4所示。 随着硒含量的增加, 不同光谱下, 锑基太阳电池的Voc和FF的变化规律基本一致。 在Jsc方面, 由于长波衰减光谱缺少红外波段能量, 因而随着硒含量增加和带隙变窄, 并没有使短路电流得到显著提高。 通过图4(d)不同光谱下锑基太阳电池的PCE可以发现, 长波衰减光谱下, 锑基太阳电池的器件性能显著高于标准光谱, 并且在20%~40%硒含量下能够获得约26%最佳的PCE。 而在短波衰减光谱下, 锑基太阳电池则需要通过增加硒含量以有效吸收长波光能量, 因此器件的最佳性能出现在硒含量为60%的情况下。 因而在弱光情况下, 光谱能量的分布不同, 锑基薄膜太阳电池的硒含量和厚度都需要进行相应的调制。

图4 不同硒含量锑基太阳电池在不同光谱下的器件性能
(a): 开路电压; (b): 短路电流密度; (c): 填充因子; (d): 转换效率Fig.4 Device performance of antimony-based solar cells with different selenium contents under different spectra
(a): Voc; (b): Jsc; (c): FF; (d): PCE

2.2 锑基叠层太阳电池的弱光性能研究

在硫化锑/硒化锑叠层太阳电池中, 宽带隙的硫化锑顶电池负责吸收短波光, 而窄带隙的硒化锑底电池负责吸收长波光。 图5(a), (b)为短波衰减和长波衰减光谱下, 硫化锑/硒化锑叠层太阳电池的PCE随硫化锑吸光层厚度的变化。 在短波衰减光谱下, 随着叠层电池吸光层总厚度由1 μm提高至3 μm, 电池的最佳PCE由22.42%逐渐提高至25.90%; 而在长波衰减光谱下, 不同叠层电池吸光层总厚度下的理论最佳PCE变化较小, 维持在28.00%左右。 图5(c)为两种光谱下, 叠层太阳电池取得最佳器件性能时对应的顶底电池吸光层厚度。 如图所示, 当总厚度为1 μm时, 由于短波衰减光谱缺乏硫化锑顶电池能够吸收的光, 因而顶电池需要0.74 μm的硫化锑才能达到电流的匹配, 此时硒化锑层厚度仅为0.26 μm。 在这种情况下, 叠层电池并不能有效利用全部光谱能量, 仅得到了7 mA· cm-2的Jsc, PCE也较低。 随着叠层电池吸光层总厚度的提高, 顶底电池吸光层厚度均需要进行增加, 顶底电池的光谱响应也都随之增强[图5(d)], 因此使得PCE同步提升。 而在长波衰减光谱下, 光谱中短波光能量充足, 叠层电池吸光层总厚度为1 μm时, 只需0.3 μm的硫化锑吸光层就可以达到顶底电池的电流匹配, 获得10 mA· cm-2的Jsc。 随着电池吸光层总厚度的增加, 顶电池的光谱响应度基本不变[图5(e)], 硫化锑层的厚度不需要继续增加, 叠层太阳电池的性能也基本不变。

图5 吸光层总厚度不同时, 在(a)短波衰减光谱和(b)长波衰减光谱下, 硫化锑/硒化锑叠层电池PCE随硫化锑层厚度的变化; (c)短波衰减光谱和长波衰减光谱下, 叠层电池获得最大PCE时的顶、 底电池吸光层厚度; 在(d)短波衰减光谱和(e)长波衰减光谱下, 叠层电池在不同吸光层总厚度下取得最大PCE时的量子效率(EQE)曲线; (f)吸光层总厚度为2.0 μm时, 叠层太阳电池器件效率在三种光谱下随硫化锑层厚度的变化Fig.5 At different total thicknesses of light absorber, the PCE of Sb2S3/Sb2Se3 tandem-cell versus Sb2S3 layer thickness under (a) short wave attenuation spectrumand (b) long wave attenuation spectrum; (c) The thickness of the light absorber of the top and bottom cell when the tandem-cell obtain the maximum PCE under short wave attenuation spectrum and long wave attenuation spectrum; Quantum efficiency curve of tandem-cell with maximum PCE under different total thickness of light absorberunder (d) short wave attenuation spectrum and (e) long wave attenuation spectrum; (f) PCE of tandem-cell versus Sb2S3 layer thickness under three spectra by keeping the total thickness of the light absorber is 2.0 μm

图5(f)统计了吸光层厚度为2 μm时, 硫化锑/硒化锑叠层太阳电池在衰减光谱和标准光谱下随硫化锑层厚度变化的PCE值。 可以看到, 当光谱能量相同时, 长波衰减光谱下的叠层电池在硫化锑层厚度为0.3 μm时拥有最大的PCE为28.29%; 而对于短波衰减光谱, 电池在硫化锑层厚度为1.5 μm时获得25.03%的最大PCE效率。 在硫化锑层厚度处于0.5~1.2 μm范围时, 叠层太阳电池在标准光谱下的PCE最高, 且在两种衰减光谱下的电池PCE也均高于20%, 此时硫化锑/硒化锑叠层太阳电池在不同的光谱下具有最为稳定的性能输出。 弱光条件下本质上是辐照光谱的衰减。 对于锑基单结太阳电池, 通过对吸光层厚度的细致调节, 使其在充分吸收太阳光谱的同时降低载流子复合, 是弱光条件下制备高效电池的关键。 而对于锑基叠层太阳电池, 需要针对不同弱光光谱的特点, 合理分配顶底电池吸光层厚度, 使其电流匹配的前提下尽可能地利用光谱能量, 进而优化器件性能。

3 结论

应用wx-AMPS软件对锑基薄膜太阳电池在不同弱光光谱下的性能表现进行了模拟分析。 首先研究了长波衰减和短波衰减光谱下吸光层厚度对单结硒化锑太阳电池的性能影响, 结果显示随着厚度的增大, 电池在两种光谱下的Jsc与PCE均呈现先增大后减小的趋势。 当硒化锑太阳电池吸光层厚度处于0.4~1.2 μm之间时, 硒化锑太阳电池在两种衰减光谱下均获得了高于16%的PCE。 其次, 对锑基太阳电池的硒含量进行调节, 发现在长波衰减光谱下, 当硒含量为20%~40%时, 带隙的增大使得器件对长波光的利用更加充分, 获得了26%的PCE。 而在短波衰减光谱下, 锑基太阳电池在硒含量为60%时才能获得最佳器件性能。 最后研究了弱光光谱下硫化锑/硒化锑叠层太阳电池的光谱响应。 结果显示当叠层电池的总厚度提高时, 短波衰减光谱下电池的最佳PCE呈现不断增加的趋势, 而长波衰减光谱下电池的最佳PCE能够保持在较高水平。 当吸光层总厚度为2 μm的情况下, 硫化锑顶电池厚度为0.5~1.2 μm时, 叠层电池在不同光谱下均能够获得高于20%的PCE, 具有最为稳定的性能输出。 本论文通过对不同弱光条件下的太阳电池性能变化研究, 为适应弱光光照环境的高效锑基薄膜太阳电池的研发提供指导。

参考文献
[1] Lee T D, Ebong A U. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 70: 1286. [本文引用:1]
[2] Ramanujam J, Bishop D M, Todorov T K, et al. Progress in Materials Science, 2020, 110: 100619. [本文引用:1]
[3] ZHANG Chun-mei, WANG Dong-dong, ZHANG Ao, et al(张春梅, 王东栋, 张翱, 等). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析), 2020, 40(1): 294. [本文引用:1]
[4] Cao Y, Liu C Y, Yang T H, et al. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2022, 246: 111926. [本文引用:1]
[5] Choi Y C, Lee D U, Noh J H, et al. Advanced Functional Materials, 2014, 24(23): 3587. [本文引用:3]
[6] Cao Y, Zhu X Y, Chen H B, et al. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2019, 200: 109945. [本文引用:1]
[7] Li K H, Chen C, Lu S C, et al. Advanced Materials, 2019, 31(44): 1903914. [本文引用:1]
[8] Zhou J, Meng D, Yang T H, et al. Applied Surface Science, 2022, 591: 153169. [本文引用:1]
[9] Zhou J, Tang Z, Yang T H, et al. Materials Letters, 2022, 316: 132032. [本文引用:1]
[10] Lei H W, Chen J J, Tan Z J, et al. Solar. RRL, 2019, 3(6): 1900026. [本文引用:1]
[11] CAO Yu, JIANG Jia-hao, LIU Chao-ying, et al(曹宇, 蒋家豪, 刘超颖, 等). Acta Physica Sinica(物理学报), 2021, 70(12): 128802. [本文引用:1]
[12] Tang R F, Chen T, Ding L M. Journal of Semiconductors, 2021, 42(7): 070203. [本文引用:1]
[13] Tang R F, Wang X M, Lian W T, et al. Nature Energy, 2020, 5: 587. [本文引用:2]
[14] Chen S, Liu T X, Zheng Z H, et al. Journal of Energy Chemistry, 2022, 67: 508. [本文引用:1]
[15] Lin J H, Mahmood A, Chen G J, et al. Materials Today Physics, 2022, 27: 100772. [本文引用:1]
[16] Liang G X, Luo Y D, Chen S, et al. Nano Energy, 2020, 73: 104806. [本文引用:1]
[17] Zhou Y, Leng M Y, Xia Z, et al. Advanced Energy Materials, 2014, 4(8): 1301846. [本文引用:1]
[18] Liang G X, Chen M D, Ishaq M, et al. Advanced Science, 2022, 9(9): 2105142. [本文引用:1]
[19] Cao Y, Qu P, Wang C G, et al. Advanced Optical Materials, 2022, 10(19): 2200816. [本文引用:1]
[20] Tang R, Chen S, Zheng Z H, et al. Advanced Materials, 2022, 34(14): 2109078. [本文引用:1]
[21] Chen Z W, Guo H F, Ma C H, et al. Solar Energy, 2019, 187: 404. [本文引用:1]
[22] Guo H F, Du X S, Feng Z D, et al. Solar Energy, 2021, 224: 875. [本文引用:1]
[23] Lu S C, Zhao Y, Chen C, et al. Advanced Electronic Materials, 2018, 4(1): 1700329. [本文引用:1]
[24] Zhang L, Wu K P, Yu J, et al. Vacuum, 2021, 183: 109840. [本文引用:1]
[25] Yang B, Qin S K, Xue D J, et al. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2017, 25(1): 113. [本文引用:1]
[26] Wu C Y, Zhang L J, Ding H B, et al. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2018, 183: 52. [本文引用:1]
[27] Duan Z T, Liang X Y, Feng Y, et al. Advanced Materials, 2022, 34(30): 2202969. [本文引用:1]
[28] Kim C U, Jung E D, Noh Y W, et al. EcoMat, 2021, 3(2): e12084. [本文引用:1]
[29] Zhang J W, Lian W T, Yin Y W, et al. Solar RRL, 2020, 4(4): 2000048. [本文引用:2]
[30] Cao Y, Liu C Y, Jiang J H, et al. Solar RRL, 2021, 5(4): 2000800. [本文引用:1]
[31] Cao Y, Zhu X Y, Jiang J H, et al. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2020, 206: 110279. [本文引用:1]
[32] Kao M H, Shen C H, Yu P D, et al. Scientific Reports, 2017, 7: 12706. [本文引用:1]
[33] Freitag M, Teuscher J, Saygili Y, et al. Nature Photonics, 2017, 11: 372. [本文引用:1]
[34] Jenkins P P, Messenger S, Trautz K M, et al. IEEE Journal of Photovoltaics, 2014, 4(1): 202. [本文引用:1]
[35] Enaganti P K, Dwivedi P K, Srivastava A K, et al. International Journal of Energy Research, 2020, 44(6): 4493. [本文引用:1]
[36] Bahrami-Yekta V, Tiedje T. Optics Express, 2018, 26(22): 28238. [本文引用:1]
[37] Cao Y M, Liu Y H, Zakeeruddin S M, et al. Joule, 2018, 2(6): 1108. [本文引用:1]
[38] He X L, Chen J Z, Ren X D, et al. Advanced Materials, 2021, 33(27): 2100770. [本文引用:1]
[39] Rohr J A, Lipton J, Kong J, et al. Joule, 2020, 4(4): 840. [本文引用:1]
[40] Janosevic V, Mitric M, Bundaleski M, et al. Progress in Photovoltaics, 2016, 24(5): 704. [本文引用:1]
[41] Kand a H, Mihailetchi V D, Kleider J P, et al. Interdisciplinary Materials, 2022, 1(1): 148. [本文引用:1]
[42] Liu Y M, Sun Y, Rockett A. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2012, 98: 124. [本文引用:1]
[43] Ramli N F, Sepeai S, Rostan N F M, et al. AIP Conference Proceedings, 2017, 1838: 020006. [本文引用:1]
[44] Jarwal D K, Mishra A K, Kumar A, et al. Superlattices and Microstructures, 2020, 140: 106463. [本文引用:1]
[45] Mand adapu U, Vedanayakam S V, Thyagarajan K, et al. International Journal of Simulation and Process Modelling, 2018, 13(3): 221. [本文引用:1]