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What enables GaOx as hole transport layer for a 16 percent 1.0 eV CuInSe2 Bottom Cells with VOC above 550 mV?

本文表明，通过在无需额外添加 Cu、Na 或重碱金属的情况下，利用共蒸发过程中的离子交换形成的导电、部分结晶的 GaOx 空穴传输层，使纯 CuInSe2 底层太阳能电池实现了 552 mV 的记录认证开路电压以及超过 16% 的有效面积效率。

原作者： Francesco Lodola, Zhuangyi Zhou, Boaz Koren, Saeed Bayat, Alessandro Magon, Yucheng Hu, Adrian-Marie Philippe, Michele Melchiorre, Hasan Arif Yetkin, Gunnar Kusch, Nathalie Valle, Rachel A. Oliver, Su

发布于 2026-07-01

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CC BY 4.0

原作者： Francesco Lodola, Zhuangyi Zhou, Boaz Koren, Saeed Bayat, Alessandro Magon, Yucheng Hu, Adrian-Marie Philippe, Michele Melchiorre, Hasan Arif Yetkin, Gunnar Kusch, Nathalie Valle, Rachel A. Oliver, Susanne Siebentritt

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，太阳能电池就像一座繁忙的工厂，将阳光转化为电力。在这座工厂内部，有一个主要生产车间（“吸收层”），那是魔法发生的地方；还有一个位于后方的装卸平台（“背接触”），是成品（电力）离开建筑的出口。

长期以来，科学家们一直试图建造一种特定类型的太阳能工厂，使用一种叫做 CuInSe2（铜铟硒）的材料。这种材料非常特别，因为它就像是一个“金发姑娘”（意指恰到好处）材料：它正好适合捕捉低能部分的阳光，这对于构建超高效的“叠层”太阳能电池至로至关重要。

问题：漏水的后门

当电力试图通过后门（金属接触点）离开工厂时，它会发生流失。与其说它们在为您的家庭供电，不如说电子撞到了墙上并消失了。这被称为“复合”。这就像工人们试图离开一栋建筑，却被困在一个旋转门里，被转回了建筑内部。这种泄漏导致工厂产生的电压非常低，限制了其效率。

解决方案：聪明的“门卫”（GaOx）

研究人员发现了一种修复这个漏水门门的聪明方法。他们在生产车间和装卸平台之间安装了一个由名为 氧化镓 (GaOx) 的材料制成的特殊“门卫”层。

把这个 GaOx 层想象成一个聪明的保镖：

它阻挡坏人： 它阻止电子撞向后墙并丢失（它对接触进行了“钝化”）。
它让好人通过： 令人的惊讶的是，这个保镖也是“空穴”（需要离开的正电荷）的导体。通常情况下，氧化镓是一种绝缘体（像一堵砖墙），但在这种特定的设置中，它变成了电力流出的高速公路。

重大发现：无需额外原料

在此项研究之前，科学家们认为需要添加额外的“原料”才能让这个保镖发挥作用。他们认为必须：

添加额外的铜： 就像为门铰链添加特殊的润滑剂。
添加钠： 就像雇佣一位特定的经理来组织工人。
用铜进行加热： 就像通过烘烤门来使其工作。

本论文的主要发现是，这些额外的步骤其实都是不需要的。

研究人员测试了三种不同的场景：

“标准”方式： 添加额外的铜并进行烘烤。
“无铜”方式： 只进行烘烤而不添加额外的铜。
“无热”方式： 完全不进行烘烤。

结果： 三种方法都奏效了！即使没有额外的铜或特殊的烘烤步骤，GaOx 层也成为了电流流出的导电高速公路。这是一个巨大的进步，因为这意味着该过程更简单、更便宜，且更容易规模化用于大规模生产。

秘密成分：晶体结构

为什么在没有额外铜的情况下也能奏效？论文认为这是由于 GaOx 层的结构所致。

在之前使用溶液法（溶液处理）进行的实验中，该层是杂乱且无序的（非晶态），因此需要额外的铜来帮助导电。
在这种新方法（使用喷涂/溅射技术）中，GaOx 层形成了一种部分结晶结构。想象一下沙堆（无序）与整齐堆叠的砖墙（晶体）之间的区别。这些砖块整齐、有序的结构使得电力即使在没有“润滑剂”（铜）的情况下也能自然流动。

关于钠的问题

研究人员还检查了是否需要钠（玻璃中的一种常见元素）来让保镖发挥作用。他们发现，虽然钠有助于让主生产车间运行得更好，但它并不控制保镖。即使阻挡钠到达 GaOx 层，该层也能完美运行。这很重要，因为这意味着你可以使用不同类型的玻璃或背接触，而不必担心保镖失效。

结果：打破纪录

通过使用这种简单的、无需额外原料的 GaOx 门卫，团队制造出了实现以下目标的太阳能电池：

16% 的效率： 对于这种特定类型的低带隙材料来说，这是一个非常高的分数。
552 mV 电压： 这是该特定材料（不含镓的 CuInSe2）的世界纪录。它证明了“漏水的门”已被成功修复。

剩下的一个障碍

论文指出还有一个小问题：填充因子（Fill Factor，即电力流动的顺畅程度）还不完美。这就像工厂正在生产出伟大的产品，但内部仍存在一些交通拥堵。研究人员指出，这种“交通拥堵”发生在层与层之间的空间，而不是在后门处。修复这种内部交通是使这些电池效率更高的下一步工作。

总结

简而言之，这篇论文表明，你可以通过一个简单、智能的“保镖”（GaOx）来构建一种高效的太阳能电池底层，从而阻止能量泄漏。最棒的部分是？你不需要复杂的额外步骤、特殊的铜处理或特定的钠水平就能让它工作。该材料能够自然地组织成一种导电结构，为未来制造更便宜、更易于制造的超高效太阳能电池铺平了道路。

技术摘要：作为 1.0 eV CuInSe₂ 底电池空穴传输层的 GaOₓ

问题陈述
黄铜矿太阳电池具有可调至 1.00 eV 的带隙，使其成为叠层光伏应用中理想的底电池候选材料。实现这种窄带隙需要纯 CuInSe₂ (CISe) 吸光层而不含镓 (Ga)。然而，纯 CISe 器件由于钼 (Mo) 背接触处的高复合速率而面临开路电压 ( $V_{OC}$ ) 低的问题。虽然可以通过 Ga 梯度来减轻这些损失，但会引入产生损失和辐射损失。或者，研究人员开发了空穴传输层 (HTL) 来钝化背接触。先前的研究表明，通过 CuGaSe₂ 前驱体与 InOₓ 层之间的离子交换形成的 HTL 会产生一层 GaOₓ，用于钝化背接触。然而，在具有透明背接触的太阳电池中（特别是形成于含�//铟接触层上时），GaOₓ 历史上被观察到会阻挡电流并降低填充因子 (FF)。此外，先前成功的 HTL 实现方案需要特定的铜 (Cu) 前驱体退火阶段，并依赖于溶液处理的 InOₓ，这引发了对于采用溅射沉积等工业可扩展工艺是否仍需这些步骤的疑问。此外，钠 (Na) 在这种特定配置下实现 GaOₓ 层导电性的作用仍不明确。

方法论
作者研究了在纯 1.0 eV CuInSe₂ 太阳电池中使用 GaOₓ HTL 的形成和传输特性，其结构为 Glass/Mo/HTL/CISe/CdS/i-ZnO/AZO/MgF₂。该 HTL 通过双层法构建：首先是 120 nm 共蒸发的贫 Cu CuGaSe₂ 层，随后是 30 nm 的 RF 溅射 InOₓ 层。随后使用标准的三阶段共蒸发工艺生长 2.2 µm 的 CuInSe₂ 吸光层。

为了隔离使 GaOₓ 具有导电性和钝化能力的因素，研究对比了三种不同的工艺变体：

“LT”（低温）： 无额外的 Cu 前驱体，且在吸光层生长前不进行高温退火。
“HT”（高温）： 高温退火 (500 °C)，但不添加额外的 Cu。
“Cu HT”： 沉积 Cu 前驱体 (30–40 nm) 并在 500 °C 下进行退火，以复制先前被认为对溶液处理 HTL 必要的条件。

此外，研究探讨了钠的作用，通过沉积带有或不带有阻挡来自碱锂玻璃 (SLG) 基底中 Na 扩散的 SiOₓ 屏障的样品进行对比。研究使用 STEM-EDS、SIMS 和 HRTEM 对 HTL 的成分和结晶度进行了分析。通过绝对光致发光 (PL) 表征了光电性能，以确定准费米能级分裂 (QFLS) 和光学二极管因子 (ODF)，并通过 J-V 测量、串联电阻和电学二极管因子 (EDF) 提取评估了电学性能。

主要贡献与结果

无需 Cu 退火即可实现 GaOₓ 导电性： 与溶液处理 HTL 的发现相反，本研究证明，对于溅射沉积的 GaOₓ 层，不需要额外的 Cu 前驱体退火阶段即可使其具有导电性。在没有 Cu 前驱体处理的情况下加工的器件（“LT”）表现出的填充因子和 $V_{OC}$ 值与含有 Cu 前驱体的器件相当甚至更好。研究发现 GaOₓ 层是部分结晶的，这一特征归功于吸光层生长过程中的热处理，这可能有助于在不需要深层 Cu 相关缺陷带的情况下促进电荷传输。
钠的作用： 虽然 Na 对于提高 CuInSe₂ 吸光层的体相质量至关重要（通过具有 Na 扩散的样品中更高的 PL Yield 得到证实），但研究表明，Na 对于 GaOₓ HTL 本身的空穴传输特性是并非必要的。带有 SiOₓ Na 阻挡层的样品仍实现了有效的背接触钝化和良好的传输，这表明当采用溅射沉积时，在之前的双面研究中观察到的阻挡行为并非该 HTL 设计所固有的。
氧流量无关性： 在 InOₓ 溅射过程中改变氧流量，并未对所得 GaOₓ 层的钝化或导电性产生系统性影响。
器件性能： 优化的 “LT” 工艺为纯 CuInSe₂ 底电池（无 Ga 梯度、无重碱处理或 Ag 合金化）实现了 552 mV 的记录认证 $V_{OC}$ 。该器件实现了 16.4% 的有效面积效率，填充因子为 69.9%，短路电流 ( $J_{SC}$ ) 为 42.7 mA/cm²。
限制因素： 尽管 $V_{OC}$ 很高，但填充因子仍受限于较高的电学二极管因子 (EDF > 1.6)。通过比较吸光层的光学二极管因子 (ODF) 与成品电池的 EDF，分析表明主要的损失机制是空间电荷区 (SCR) 中的 Shockley-Read-Hall (SRH) 复合，而非体相复合或简单的串联电阻。

意义
这项工作确立了通过在吸光层生长期间进行离子交换形成的溅射沉积 GaOₓ 空穴传输层，可以有效地钝化纯 CuInSe₂ 太阳电池的背接触，而无需复杂的 Cu 前驱体退火步骤或在氧化物层内进行特定的 Na 掺杂。由此产生的器件实现了 552 mV 的认证 $V_{OC}$ 且效率超过 16%，为无 Ga 掺杂的黄铜矿底电池树立了新标杆。这些发现对于单片叠层太阳电池的发展至关重要，因为它们验证了一种可扩展、兼容溅射的背接触架构，该架构能够在保持高电压和高效载流子收集的同时，允许使用理想的 1.0 eV 带隙吸光层。本研究还阐明了限制填充因子的高二极管因子是一个与这些特定架构中 SCR 复合相关的系统性问题，从而指明了未来的优化目标。