Silvaco TCAD‑modellering, optisk simulering och optimering för högeffektiva perovskit‑ och u‑CIGS‑tandemsolceller med strömtäthet över 30%

Renare kraft genom smartare solenergiskörd

När världen söker sätt att minska koldioxidutsläppen samtidigt som energiefterfrågan ökar, pressas solpaneler att utvinna mer av varje solljusstråle. I denna studie undersöks en ny typ av ”tandem”‑solcell som staplar två avancerade ljusabsorberande material, med målet att pressa ut mer elektricitet ur samma solljus samtidigt som man undviker knapphändiga eller giftiga ämnen som bly och indium. Arbetet använder detaljerade datorbaserade simuleringar för att visa hur en sådan konstruktion realistiskt kan nå verkningsgrader över 30 %, ett betydande steg bortom de flesta takmonterade paneler i dag.

Varför staplade solskikt förbättrar prestanda

Konventionella solpaneler använder ett enda ljusabsorberande skikt, vilket innebär att de bara kan fånga fotoner med tillräcklig energi för att korsa materialets bandgap. Högre‑energifotoner förlorar sin överskottsenergi som värme, och lägre‑energifotoner passerar rakt igenom — båda är förlorat solljus. En tandemsolcell tar itu med detta genom att stapla två olika absorbenter. Topplagret är inställt för att fånga den blåare, mer energirika delen av spektrat, medan bottenlagret är anpassat för att fånga det rödare, lägre‑energi‑ljus som slinker igenom. Eftersom varje lager arbetar närmare sitt ideala energiområde kan den kombinerade enheten omvandla en större andel av solljuset till användbar elektricitet.

Att bygga en grönare tandem: blyfri och indiumfri

Författarna utformar en tvålagersenhet där toppcellen är gjord av en blyfri perovskit kallad metylammonium bismutjodid (MBI), och bottencellen är en tunn film av den välkända CIGS‑halvledaren (koppar‑indium‑gallium‑selenid). För att undvika användningen av sällsynt indium i den transparenta frontelektroden ersätter de det ofta använda indiumtennoxidet (ITO) med fluordopat tennoxid (FTO). FTO undviker inte bara leveransproblem utan tål också högre temperaturer och mekaniskt slitage, vilket gör det attraktivt för storskalig tillverkning. Den simulerade ensamma MBI‑cellen med FTO når över 15 % verkningsgrad på egen hand, vilket ger en stabil grund för att stapla den med CIGS‑lagret under.

Hur noggrann justering frigör hög verkningsgrad

Att helt enkelt stapla en cell ovanpå en annan garanterar inte bättre prestanda: båda subcellerna måste leverera samma elektriska ström när de är seriekopplade, annars begränsar den svagare hela enheten. För att lösa detta använder forskarna en tvåstegs numerisk sökning för att finjustera tjockleken på MBI‑lagret så att strömmen från top‑ och bottencellerna matchar inom en mycket liten marginal. De modellerar också hur ljuset studsar, interfererar och absorberas när det passerar genom varje lager — från glasskyddet och FTO‑frontkontakten, genom perovskiten och en mycket tunn guldbaserad förbindare, ner i CIGS‑filmen och metallbakontakten. Samtidigt beräknar de hur elektroner och hål rör sig, rekombinerar och samlas in, med fysikaliska modeller som validerats mot verkliga enskilda cellexperiment.

Vad simuleringarna avslöjar om tandemenheten

Med dessa detaljer på plats använder den simulerade tandemenheten ett MBI‑lager på omkring 420 nanometer tjockt ovanpå ett 500‑nanometer CIGS‑lager. Toppcellen absorberar nästan allt ljus med våglängder kortare än ungefär 650 nanometer, medan längre våglängder passerar igenom och effektivt fångas upp av CIGS. Resultatet är en delad strömtäthet nära 20 milliampere per kvadratcentimeter i båda lagren. Under idealiserade antaganden om materialperfektion och optiska förluster ger modellen en anmärkningsvärd effektomvandlingsverkningsgrad på ungefär 36 %. När författarna inför mer realistiska nivåer av defekter och gränssnitts‑förluster landar prestandan runt 30 %, fortfarande betydligt över de flesta kommersiella enkelavskärmningspaneler och i nivå med de bästa tandemprototyperna som rapporterats de senaste åren.

Varför detta angreppssätt är viktigt för framtida solpaneler

För icke‑specialister är huvudbudskapet att smart design — snarare än exotisk ny fysik — kan pressa solpaneler långt förbi dagens effektgränser. Genom att stapla en blyfri perovskit avstämd för blått ljus ovanpå ett CIGS‑lager avstämt för rött ljus, och genom att ersätta det sällsynta indiumet med mer robust FTO‑glas, skisserar författarna en väg mot renare, kraftfullare och mer hållbara solmoduler. Deras simuleringar fungerar som en färdplan som visar vilka lagertjocklekar, kontaktmaterial och gränssnitts‑egenskaper som har störst betydelse. Om materialvetare kan närma sig dessa villkor i labbet och fabriken kan solpaneler som omvandlar en tredjedel eller mer av inkommande solljus till elektricitet bli en praktisk verklighet, vilket hjälper till att möta det globala energibehovet med färre paneler, mindre markanvändning och lägre miljöpåverkan.

Citering: Mosalanezhad, R., Shayesteh, M.R. & Pourahmadi, M. Silvaco TCAD modeling, optical simulation, and optimization for high-current perovskite and u-CIGS tandem solar cells with efficiencies above 30%. Sci Rep 16, 8611 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39816-6

Nyckelord: tandemsolceller, perovskitfotovoltaik, CIGS tunnfilm, blyfria solmaterial, solcellsimulering