Silvaco TCAD 建模、光学仿真与优化，用于电流高的钙钛矿/u‑CIGS 串联太阳能电池，效率超过 30%

通过更聪明的光捕获实现更清洁的电能

在世界努力在满足不断增长的能源需求的同时减少碳排放之际，太阳能电池正面临着从每一缕阳光中获取更多能量的压力。本文研究了一种新的“串联”太阳能电池，将两种先进的吸光材料叠合，旨在在避免使用稀缺或有毒元素如铅和铟的同时，从相同的阳光中榨取更多电能。该工作通过详细的计算机仿真展示了这种设计如何在现实条件下有可能实现超过 30% 的效率，这是对目前多数屋顶光伏面板的重大提升。

为什么堆叠光吸收层能提高性能

传统太阳能电池使用单一吸光层，这意味着它们只能捕获能量足以跨越该材料带隙的光子。高能光子的多余能量以热能损失，而低能光子则直接穿透，这两种情况都造成了太阳能的浪费。串联太阳能电池通过叠加两种不同的吸光材料来解决这一问题。顶层被调谐以捕获光谱中蓝色、更高能量的部分，而底层则被调谐以捕获穿透下来的红色、较低能量光。由于每一层都在更接近其理想能量范围内工作，组合器件能够将更大比例的太阳光转换为有用的电能。

构建更环保的串联：无铅与无铟

作者设计了一种两层器件，其中顶电池由一种无铅钙钛矿——碘化甲胺铋（MBI）制成，底电池则为众所周知的 CIGS 半导体（铜铟镓硒）薄膜。为了避免在透明前电极中使用稀缺的铟，他们用掺氟氧化锡（FTO）替代了广泛使用的氧化铟锡（ITO）。FTO 不仅规避了供应方面的担忧，还更耐高温和机械磨损，使其更适合大规模制造。模拟结果显示，单个使用 FTO 的 MBI 电池本身就能达到超过 15% 的效率，为将其与下面的 CIGS 层叠加奠定了坚实基础。

如何通过精细调校解锁高效率

简单地将一个电池堆叠在另一个之上并不能保证更高的面板性能：两个子电池在串联连接时必须产生相同的电流，否则较弱的一方会限制整个器件的输出。为了解决这一问题，研究者使用了两步数值搜索来微调 MBI 层的厚度，使顶层和底层电流在非常小的误差范围内匹配。他们还对光在每一层中的反射、干涉和吸收进行了建模——从玻璃罩和 FTO 前电极，通过钙钛矿和非常薄的金基连接层，直到 CIGS 薄膜和金属背电极。同时，研究团队计算了电子和空穴的迁移、复合与收集行为，所用物理模型已通过实际单电池实验得到验证。

仿真揭示的串联电池特性

在这些细节被纳入模型后，模拟的串联器件使用约 420 纳米厚的 MBI 层，叠在 500 纳米的 CIGS 层上。顶电池几乎吸收了所有波长短于约 650 纳米的光，而更长波长的光子则穿透并被 CIGS 高效捕获。结果是两层的共享电流密度均接近每平方厘米 20 毫安。在关于材料完美度和光学损失的理想化假设下，该模型给出了约 36% 的显著光电转换效率。当作者将缺陷和界面损失校准到更现实的水平时，性能降至约 30%，仍显著高于大多数商业单结电池，并与近年来报道的最佳串联原型相当。

该方法对未来太阳能电池的重要意义

对非专业读者来说，关键结论是：通过聪明的设计——而非奇异的新物理——就能将太阳能电池的效率远远推高。通过在顶部叠加针对蓝光调谐的无铅钙钛矿、在下方配置针对红光调谐的 CIGS 层，并用更稳健的 FTO 玻璃替代稀缺的铟，作者勾画出了一条通向更清洁、更高效且更可持续光伏组件的路径。他们的仿真为哪些层厚、哪些接触材料以及哪些界面质量最重要提供了路线图。如果材料科学家能在实验室和工厂中接近这些条件，能够将三分之一或更多入射太阳光转换为电能的太阳能电池或将成为实际可行的现实，从而用更少的面板、更少的土地和更低的环境影响来满足全球能源需求。

引用: 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

关键词: 串联太阳能电池, 钙钛矿光伏, CIGS 薄膜, 无铅太阳能材料, 太阳能电池仿真