1. 引言與概述

矽基光伏技術主導市場，但其單接面效率正接近極限（約26.8%）。串聯太陽能電池將寬能隙頂部電池堆疊在矽底部電池之上，為實現效率超過30%提供了一條明確路徑。本研究展示了硒（Se）頂部電池與矽（Si）底部電池的首次單片式整合。硒具有約1.8-2.0 eV的直接能隙、高吸收係數以及元素簡單性，是一種極具潛力但長期停滯的材料，如今因串聯應用而重獲新生。

2. 元件結構與製程

2.1 單片式堆疊結構

該元件採用單片式製程，意味著頂部與底部電池透過穿隧接面或復合層串聯連接。從底部到頂部的一般層堆疊結構如下：

  • 底部電池： 具有摻雜多晶矽（n+ 與 p+）載子選擇性接觸層的 n 型 c-Si 基板，並以 ITO 封頂。
  • 互連/穿隧接面： 對於實現低電阻、光學透明的載子復合至關重要。
  • 頂部電池： p 型多晶硒（poly-Se）吸收層。
  • 載子選擇性接觸層： 電子選擇性層（ZnMgO 或 TiO2）與電洞選擇性層（MoOx）。
  • 前電極： 用於收集電流的 ITO 與金柵極。

2.2 材料選擇與處理

硒的低熔點（220°C）使其能夠採用與下方矽電池相容的低溫製程。載子選擇性接觸層的選擇至關重要。初始元件使用 ZnMgO，但後續模擬發現 TiO2 在降低電子傳輸障礙方面更為優越。

關鍵製程優勢

低溫製程（<220°C）

與敏感的矽底部電池及後段製程相容。

材料簡易性

單元素吸收層

避免了鈣鈦礦或 CIGS 中常見的化學計量比與相穩定性問題。

3. 效能分析與結果

3.1 初始元件效能

首個單片式 Se/Si 串聯電池透過 suns-Voc 測量，展示了具有前景的開路電壓（Voc）1.68 V。如此高的 Voc 是材料品質優良與能隙配對有效的強力指標，因其已接近個別電池電壓的總和。

3.2 載子選擇性接觸層優化

將初始的 ZnMgO 電子接觸層替換為 TiO2，導致功率輸出提升了10倍。這一顯著改善突顯了介面工程在串聯電池中的關鍵作用，微小的能量障礙可能導致嚴重的電流瓶頸。

3.3 關鍵效能指標

  • 開路電壓（Voc）： 1.68 V（suns-Voc）。
  • 偽填充因子（pFF）： >80%。此高數值源自與注入位準相關的 Voc 測量，表明主要損耗來自寄生串聯電阻，而非吸收層內部的本質復合損耗。
  • 效率限制因素： 由於已識別的傳輸障礙，導致填充因子（FF）與電流密度（Jsc）偏低。

4. 技術洞見與挑戰

4.1 傳輸障礙與損耗機制

核心挑戰在於載子跨越異質介面的非理想傳輸。SCAPS-1D 模擬揭示了在電子選擇性接觸層（ZnMgO/Se 介面）存在顯著的能量障礙，阻礙了電子抽取。這表現為高串聯電阻，限制了 FF 與 Jsc。

4.2 模擬引導設計 (SCAPS-1D)

使用標準太陽能電池電容模擬器 SCAPS-1D 對於診斷問題至關重要。透過模擬能帶圖，研究人員能夠精確定位傳輸障礙的位置與高度，從而針對性地將 ZnMgO 替換為與 Se 具有更有利導帶對齊的 TiO2。

關鍵洞見

  • 概念驗證達成： 首個單片式 Se/Si 串聯電池驗證了此材料組合的可行性。
  • 電壓是優勢： 1.68 V 的 Voc 極具競爭力，並確認了頂部電池的良好能隙。
  • 介面決定一切： 目前效能受限於接觸電阻，而非硒塊材的品質。
  • 模擬至關重要： 元件建模直接促成了10倍的效能提升。

5. 核心分析師洞見：四步驟解構分析

核心洞見： 本文並非關於一個高效率冠軍元件，而是一堂關於診斷工程學的大師課。作者們採用了一個新興且具高潛力的材料系統（Se/Si），並結合巧妙的計量學與模擬，精準地找出了其致命弱點——介面傳輸。真正的故事在於其方法論，而非標題的效率數字。

邏輯流程： 邏輯無懈可擊：1) 製造出首個單片式元件（本身就是一項成就）。2) 觀察到有前景的 Voc 但 FF 不佳。3) 使用 suns-Voc 將串聯電阻隔離為元兇（pFF >80% 是一個關鍵數據點）。4) 部署 SCAPS-1D 以視覺化有問題的能量障礙。5) 更換材料（ZnMgO→TiO2）並實現10倍增益。這是教科書級別的問題解決流程。

優勢與缺陷： 優勢在於其清晰、以物理為優先的元件優化方法。缺陷（作者也坦承）在於這仍是一個低電流元件。高 Voc 令人振奮，但若不解決光學損耗（可能主要來自多晶硒層與 ITO 層）並進一步進行接觸層工程，其效率天花板將很低。相較於鈣鈦礦/矽串聯電池中常見的快速、經驗性優化，此方法較慢，但可能更具基礎性。

可行動的洞見： 對產業而言，訊息有兩點。首先，Se/Si 是一條可行的研究路徑，具有獨特的簡易性優勢。其次，本文展示的工具包——suns-Voc、pFF 分析、SCAPS 建模——應成為任何開發新型串聯結構團隊的標準配備。投資者應關注後續解決光學設計並展示電流密度 >15 mA/cm² 的研究。在此之前，這是一個有前景但處於早期階段的平台。

6. 原創分析：硒在光伏領域的復興

如本研究所示，硒在光伏領域的復興是一個「舊材料，新把戲」的迷人案例。數十年來，硒作為第一代固態太陽能電池的材料，被矽的工業主導地位所掩蓋，僅存於歷史書中。其近期的復興是由矽串聯範式的特定需求所驅動，該範式需要一個穩定、寬能隙且製程簡單的夥伴作為聖杯。雖然鈣鈦礦/矽串聯電池以其驚人的效率提升搶盡風頭，但它們仍面臨穩定性與鉛含量問題。正如 2023 年 NREL 最佳研究電池效率圖表所示，鈣鈦礦/矽串聯在效率上領先，但有一個單獨的「新興光伏」欄位，凸顯了其持續存在的可靠性問題。

本研究將硒定位為一個引人注目（儘管是弱勢者）的替代方案。其單元素組成是一個根本優勢，消除了如 CIGS 或鈣鈦礦等化合物半導體常見的化學計量比與相分離難題。報告中硒薄膜的空氣穩定性是另一個關鍵區別，可能降低封裝成本。作者實現 1.68 V Voc 的成就非同小可；這表明硒頂部電池在電壓方面並非弱點。這與 Shockley-Queisser 詳細平衡極限相符，該極限顯示對於矽底部電池，最佳頂部電池能隙約為 1.7-1.9 eV——正好落在硒的優勢範圍內。

然而，前路艱辛。與基於鈣鈦礦的串聯電池相比，效率差距巨大。美國國家再生能源實驗室（NREL）追蹤的鈣鈦礦/矽串聯效率紀錄已超過 33%，而此 Se/Si 元件尚處於首次展示階段。主要挑戰，正如作者們專業診斷的，是異質介面的傳輸物理。這是新興光伏材料的常見主題，讓人想起早期有機太陽能電池研究，當時接觸層工程至關重要。Se/Si 串聯電池的未來取決於開發一系列能鈍化缺陷、能帶對齊的接觸層材料——這是一個材料科學挑戰，類似於鈣鈦礦領域曾面臨並部分解決的挑戰（例如使用 Spiro-OMeTAD 和 SnO2 等化合物）。如果硒能夠借鑒從其他新興光伏領域學到的介面工程經驗，其固有的穩定性與簡易性可能使其成為串聯競賽中的一匹黑馬。

7. 技術細節與數學形式

分析依賴於關鍵的光伏方程式與模擬參數：

1. Suns-Voc 方法： 此技術測量 Voc 隨光強度的變化，將串聯電阻效應與二極體特性分離。關係式為：
$V_{oc}(S) = \frac{n k T}{q} \ln(S) + V_{oc}(1)$
其中 $S$ 為太陽光強度，$n$ 為理想因子，$k$ 為波茲曼常數，$T$ 為溫度，$q$ 為基本電荷。線性擬合可揭示理想因子。

2. 偽填充因子（pFF）： 源自 suns-Voc 數據，代表在沒有串聯電阻（$R_s$）與分流損耗（$R_{sh}$）情況下的最大可能 FF。其計算方式是對提取出的二極體電流-電壓（$J_d-V$）特性進行積分：
$pFF = \frac{P_{max, ideal}}{J_{sc} \cdot V_{oc}}$
pFF > 80% 表示接面塊材品質高，損耗主要為電阻性。

3. SCAPS-1D 模擬參數： 建模 Se/Si 串聯電池的關鍵輸入包括：
- 硒： 能隙 $E_g = 1.9$ eV，電子親和力 $χ = 4.0$ eV，介電常數 $ε_r ≈ 6$。
- 介面： 異質接面處的缺陷密度（$N_t$）、捕獲截面積（$σ_n, σ_p$）。
- 接觸層： ZnMgO（約 4.0 eV）與 TiO2（約 4.2 eV）的功函數，對其與 Se 的導帶偏移（$ΔE_c$）有決定性影響。

8. 實驗結果與圖表說明

圖表說明（基於文本）： 本文可能包含兩個關鍵的概念圖。

圖 1：元件結構示意圖。 一個顯示單片式堆疊的橫截面圖：「Ag / poly-Si:H (n+) / c-Si (n) / poly-Si:H (p+) / ITO / [穿隧接面] / ZnMgO 或 TiO2 (n+) / poly-Se (p) / MoOx / ITO / Au-grid。」這說明了串聯連接以及單片式整合所需的複雜材料堆疊。

圖 2：來自 SCAPS-1D 的能帶圖。 這是關鍵的診斷圖。它會並排顯示兩個圖：
a) 使用 ZnMgO： 在 ZnMgO/Se 介面的導帶處有一個明顯的「尖峰」或障礙，阻擋了從硒吸收層到接觸層的電子流動。
b) 使用 TiO2： 一種更有利的「懸崖」或小尖峰對齊，促進了熱離子發射並降低了電子傳輸障礙。此障礙的降低直接解釋了10倍的效能提升。

隱含的電流-電壓（J-V）曲線： 文本暗示初始元件會因高串聯電阻而呈現特徵性的「S 形」或嚴重彎曲的 J-V 曲線。在將 ZnMgO 替換為 TiO2 後，曲線會變得更接近方形，填充因子與電流密度有所改善，儘管與冠軍電池相比仍有侷限。

9. 分析框架：非程式碼案例研究

案例研究：診斷新型串聯電池的損耗

情境： 一個研究小組製造了一種新的單片式串聯電池（材料 X 在矽上）。它顯示出高 Voc，但效率卻令人失望地低。

框架應用（受本文啟發）：

  1. 步驟 1 - 隔離損耗類型： 執行 suns-Voc 測量。結果：高 pFF（>75%）。結論： 光伏接面本身尚可；損耗主要不是來自塊材或介面復合。
  2. 步驟 2 - 量化電阻損耗： 從 pFF 得出的理想功率與測量功率之間的差值，即為電阻功率損耗。巨大的差距指向高串聯電阻。
  3. 步驟 3 - 定位障礙： 使用元件模擬軟體（例如 SCAPS-1D、SETFOS）。建立堆疊模型。系統性地改變載子選擇性接觸層的電子親和力/功函數。識別哪個介面在操作條件下於能帶圖中產生了大的能量障礙。
  4. 步驟 4 - 假設與測試： 假設：「電子接觸材料 Y 與材料 X 的導帶偏移為 +0.3 eV，造成阻擋障礙。」測試：將材料 Y 替換為預測具有接近零或負（懸崖）偏移的材料 Z。
  5. 步驟 5 - 迭代： 測量新元件。如果 FF 與 Jsc 顯著改善，則假設正確。接著，處理下一個最大的損耗（例如，光學吸收、電洞接觸層）。

這種結構化、基於物理的框架超越了試錯法，可直接應用於任何新興串聯技術。

10. 未來應用與發展藍圖

短期（1-3 年）：

  • 接觸層工程： 發現並優化專門用於硒的新型電子/電洞傳輸層。應篩選摻雜金屬氧化物、有機分子與二維材料。
  • 光學管理： 整合光捕獲結構（紋理化、光柵）並優化抗反射塗層，以提升硒頂部電池的電流密度，該電流密度可能受限於不完全吸收或接觸層中的寄生吸收。
  • 能隙調諧： 探索硒-碲（SeTe）合金，以微調能隙更接近矽串聯電池的理想值 1.7 eV，可能改善電流匹配。

中期（3-7 年）：

  • 可擴展沉積技術： 將硒的製程從實驗室規模的熱蒸鍍過渡到可擴展的技術，如蒸氣傳輸沉積或濺鍍。
  • 穿隧接面優化： 開發高度透明、低電阻且穩健的互連層，能夠承受頂部電池的製程。
  • 首個效率里程碑： 展示經認證的 Se/Si 串聯電池效率 >15%，證明此概念能夠超越原理驗證階段。

長期與應用展望：

  • 雙面與農業光伏： 利用硒在半透明性（透過減薄）方面的潛力，應用於需要部分透光的雙面模組或農業光伏系統。
  • 太空光伏： 硒所報告的抗輻射性與穩定性，可能使 Se/Si 串聯電池對太空應用產生吸引力，因為在太空中效率與重量至關重要。
  • 低成本利基市場： 若能證明其可製造性與效率（>20%），Se/Si 串聯電池可瞄準那些極端穩定性與簡單供應鏈優勢勝過其他技術終極效率桂冠的市場區隔。

11. 參考文獻

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