硒/硅单片叠层太阳能电池：首次演示与分析

1. 引言与概述

硅基光伏主导市场，但其单结效率正接近理论极限（约26.8%）。叠层太阳能电池，即在硅底电池上堆叠一个宽带隙顶电池，为实现效率超过30%提供了一条清晰路径。本工作首次展示了硒（Se）顶电池与硅（Si）底电池的单片集成。硒具有约1.8-2.0 eV的直接带隙、高吸收系数和元素组成简单的特点，是一种有前景但历史上停滞不前的候选材料，如今因叠层应用而复兴。

2. 器件结构与制备

2.1 单片堆叠结构

该器件采用单片方式制备，意味着顶电池和底电池通过隧道结或复合层串联连接。从下到上的一般层堆叠结构为：

• 底电池： n型晶体硅（c-Si）衬底，带有掺杂多晶硅（n+ 和 p+）载流子选择性接触，顶部覆盖ITO。
• 互连/隧道结： 对于实现低电阻、光学透明的载流子复合至关重要。
• 顶电池： p型多晶硒（poly-Se）吸收层。
• 载流子选择性接触： 电子选择性层（ZnMgO或TiO₂）和空穴选择性层（MoO_x）。
• 前电极： ITO及用于电流收集的Au栅线。

2.2 材料选择与工艺

硒的低熔点（220°C）使其能够采用与底层硅电池兼容的低温工艺。载流子选择性接触的选择至关重要。初始器件使用ZnMgO，但后续仿真发现TiO₂在降低电子传输势垒方面更优。

3. 性能分析与结果

3.1 初始器件性能

首个硒/硅单片叠层电池通过光强-开路电压（suns-V_oc）测量，展示了高达1.68 V的开路电压（V_oc）。这一高V_oc是材料质量良好和带隙配对有效的有力指标，因为它接近两个单电池电压之和。

3.2 载流子选择性接触优化

将初始的ZnMgO电子接触替换为TiO₂后，功率输出提升了10倍。这一显著改进凸显了界面工程在叠层电池中的关键作用，微小的能量势垒可能导致严重的电流瓶颈。

3.3 关键性能指标

• 开路电压（V_oc）： 1.68 V（suns-V_oc测量）。
• 伪填充因子（pFF）： >80%。这个高值源自与注入水平相关的V_oc测量，表明主要损耗是寄生串联电阻，而非吸收层内的本征复合损耗。
• 效率限制因素： 由于已识别的传输势垒，导致填充因子（FF）和电流密度（J_sc）较低。

4. 技术见解与挑战

4.1 传输势垒与损耗机制

核心挑战在于异质界面间的非理想载流子传输。SCAPS-1D仿真揭示了在电子选择性接触（ZnMgO/Se界面）处存在显著的能量势垒，阻碍了电子抽取。这表现为高串联电阻，限制了FF和J_sc。

4.2 仿真引导设计 (SCAPS-1D)

使用标准太阳能电池电容仿真器SCAPS-1D对诊断问题起到了关键作用。通过模拟能带图，研究人员能够精确定位传输势垒的确切位置和高度，从而有针对性地用TiO₂替换ZnMgO，因为TiO₂与Se的导带对齐更为有利。

5. 核心分析见解：四步解构法

核心见解： 本文并非关于一个高效率冠军器件，而是一堂关于诊断工程的精品课。作者采用了一个新兴的、高潜力的材料体系（Se/Si），并巧妙地结合计量学和仿真手段，精准地找到了其阿喀琉斯之踵——界面传输。真正的故事在于其方法论，而非标题中的效率数字。

逻辑脉络： 逻辑无懈可击：1）制造首个单片器件（这本身就是一项成就）。2）观察到有前景的V_oc但FF较差。3）利用suns-V_oc将串联电阻分离为罪魁祸首（pFF >80%是关键数据点）。4）部署SCAPS-1D可视化有问题的能量势垒。5）更换材料（ZnMgO→TiO₂）并实现10倍增益。这是教科书式的问题解决过程。

优势与不足： 优势在于其清晰、以物理为本的器件优化方法。不足之处，正如作者坦承，在于这仍然是一个低电流器件。高V_oc令人心动，但若不解决光学损耗（可能主要存在于多晶硒和ITO层中）并进一步优化接触工程，其效率上限较低。与钙钛矿/硅叠层中快速、经验性的优化相比，这种方法较慢，但可能更具基础性。

可操作的见解： 对于业界而言，信息是双重的。首先，硒/硅是一条可行的研究路径，具有独特的简单性优势。其次，本文展示的工具包——suns-V_oc、pFF分析、SCAPS建模——应成为任何开发新型叠层架构团队的标准配置。投资者应关注后续解决光学设计问题并展示电流密度>15 mA/cm²的研究工作。在此之前，这是一个有前景但处于早期阶段的平台。

6. 原创分析：硒在光伏领域的复兴

如本工作所示，硒在光伏领域的复兴是一个“旧材料，新玩法”的迷人案例。数十年来，硒作为第一代固态太阳能电池的材料被载入史册，被硅的工业主导地位所掩盖。其最近的复兴是由硅叠层范式的特定需求驱动的，该范式需要寻找一个稳定、宽带隙且工艺简单的搭档作为圣杯。虽然钙钛矿/硅叠层因其效率的飞速提升而备受瞩目，但它们面临着稳定性和铅含量问题。正如2023年NREL最佳研究电池效率图表所示，钙钛矿/硅叠层在效率上领先，但有一个单独的“新兴光伏”类别，突显了其可靠性问题依然存在。

本工作将硒定位为一个引人注目、虽处劣势但有力的替代方案。其单元素组成是一个根本优势，消除了CIGS或钙钛矿等化合物半导体中常见的化学计量比和相分离难题。报道的硒薄膜空气稳定性是另一个关键差异化因素，可能降低封装成本。作者实现的1.68 V V_oc意义重大；这表明硒顶电池在电压方面并非薄弱环节。这与肖克利-奎塞尔详细平衡极限相符，该极限显示硅底电池的最佳顶电池带隙约为1.7-1.9 eV——正好处于硒的优势区间。

然而，前路艰难。与基于钙钛矿的叠层相比，效率差距巨大。美国国家可再生能源实验室（NREL）记录的钙钛矿/硅叠层效率已超过33%，而本硒/硅器件尚处于首次演示阶段。正如作者精确定位的那样，主要挑战在于异质界面的传输物理。这是新型光伏材料中的常见主题，让人想起早期有机太阳能电池研究，其中接触工程至关重要。硒/硅叠层的未来取决于开发一系列缺陷钝化、能带对齐的接触材料库——这是一个材料科学挑战，类似于钙钛矿领域曾面临并部分通过Spiro-OMeTAD和SnO₂等化合物解决的问题。如果硒能够借鉴其他新兴光伏领域学到的界面工程经验，其固有的稳定性和简单性可能使其成为叠层竞赛中的一匹黑马。

7. 技术细节与数学形式

分析依赖于关键的光伏方程和仿真参数：

1. 光强-开路电压（suns-V_oc）法： 该技术测量V_oc随光强的变化，将串联电阻效应与二极管特性解耦。关系式为：
$V_{oc}(S) = \frac{n k T}{q} \ln(S) + V_{oc}(1)$
其中 $S$ 是光强（以太阳光强为单位），$n$ 是理想因子，$k$ 是玻尔兹曼常数，$T$ 是温度，$q$ 是基本电荷。线性拟合可揭示理想因子。

2. 伪填充因子（pFF）： 源自suns-V_oc数据，代表在没有串联电阻（$R_s$）和分流损耗（$R_{sh}$）情况下的最大可能FF。通过积分提取的二极管电流-电压（$J_d-V$）特性计算：
$pFF = \frac{P_{max, ideal}}{J_{sc} \cdot V_{oc}}$
pFF > 80% 表明体结质量高，损耗主要是电阻性的。

3. SCAPS-1D 仿真参数： 建模硒/硅叠层的关键输入包括：
- 硒： 带隙 $E_g = 1.9$ eV，电子亲和势 $χ = 4.0$ eV，介电常数 $ε_r ≈ 6$。
- 界面： 异质结处的缺陷密度（$N_t$）、捕获截面（$σ_n, σ_p$）。
- 接触： ZnMgO（约4.0 eV）与TiO₂（约4.2 eV）的功函数严重影响与Se的导带偏移（$ΔE_c$）。

8. 实验结果与图表说明

图表说明（基于文本）： 论文可能包含两个关键概念图。

图1：器件结构示意图。 显示单片堆叠的截面图：“Ag / poly-Si:H (n+) / c-Si (n) / poly-Si:H (p+) / ITO / [隧道结] / ZnMgO 或 TiO₂ (n+) / poly-Se (p) / MoO_x / ITO / Au栅线。” 这说明了串联连接以及单片集成所需的复杂材料堆叠。

图2：来自SCAPS-1D的能带图。 这是关键的诊断图。它将并排显示两个图：
a) 使用ZnMgO： 在ZnMgO/Se界面的导带处有一个明显的“尖峰”或势垒，阻碍了电子从硒吸收层流向接触层。
b) 使用TiO₂： 更有利的“悬崖”或小尖峰对齐，促进了热电子发射并降低了电子传输势垒。该势垒的降低直接解释了10倍的性能提升。

隐含的电流-电压（J-V）曲线： 文本暗示，初始器件会因高串联电阻而显示出特征性的“S形”或严重弯曲的J-V曲线。将ZnMgO替换为TiO₂后，曲线将变得更“方”，填充因子和电流密度得到改善，尽管与冠军电池相比仍有差距。

9. 分析框架：一个非代码案例研究

案例研究：诊断新型叠层电池的损耗

场景： 一个研究小组制造了一种新的单片叠层电池（材料X在硅上）。它显示出高V_oc，但效率却令人失望地低。

框架应用（受本文启发）：

1. 步骤1 - 分离损耗类型： 执行suns-V_oc测量。结果：高pFF（>75%）。结论： 光伏结本身质量尚可；损耗主要不是来自体或界面复合。
2. 步骤2 - 量化电阻损耗： 从pFF得出的理想功率与实测功率之间的差值即为电阻功率损耗。大的差值指向高串联电阻。
3. 步骤3 - 定位势垒： 使用器件仿真软件（如SCAPS-1D，SETFOS）。建立堆叠模型。系统性地改变载流子选择性接触层的电子亲和势/功函数。识别在操作条件下，哪个界面在能带图中产生了大的能量势垒。
4. 步骤4 - 假设与测试： 假设：“电子接触材料Y与材料X存在+0.3 eV的导带偏移，造成了阻挡势垒。” 测试：用材料Z替换材料Y，预测材料Z具有接近零或负（悬崖）的偏移。
5. 步骤5 - 迭代： 测量新器件。如果FF和J_sc显著改善，则假设正确。然后，转向下一个最大的损耗（例如，光学吸收、空穴接触）。

这种结构化的、基于物理的框架超越了试错法，可直接应用于任何新兴的叠层技术。

10. 未来应用与发展路线图

短期（1-3年）：

• 接触工程： 发现并优化专门针对硒的新型电子/空穴传输层。应筛选掺杂金属氧化物、有机分子和二维材料。
• 光学管理： 集成光捕获结构（织构化、光栅）并优化抗反射涂层，以提升硒顶电池的电流密度，该电流密度可能受限于不完全吸收或接触层中的寄生吸收。
• 带隙调控： 探索硒碲（SeTe）合金，以微调带隙更接近硅叠层的理想值1.7 eV，可能改善电流匹配。

中期（3-7年）：

• 可扩展沉积技术： 从实验室规模的热蒸发转向可扩展的技术，如气相传输沉积或溅射，用于硒的沉积。
• 隧道结优化： 开发高度透明、低电阻且坚固的互连层，能够承受顶电池的加工过程。
• 首个效率里程碑： 展示认证的硒/硅叠层电池效率>15%，证明该概念可以超越原理验证阶段。

长期与应用展望：

• 双面与农光互补： 利用硒通过减薄实现半透明的潜力，应用于需要部分透光的双面组件或农光互补系统。
• 空间光伏： 据报道硒具有抗辐射性和稳定性，这可能使硒/硅叠层在空间应用中具有吸引力，因为空间应用对效率和重量要求极高。
• 低成本利基市场： 如果能够证明其可制造性和效率（>20%），硒/硅叠层可以瞄准那些极端稳定性和简单供应链比追求最高效率更重要的细分市场。

11. 参考文献

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