CuGaS?中的辐照驱动亚带形成：通往下一代太阳能电池的途径

CuGaS?薄膜通过化学气相沉积法制备后，经120 MeV Ag离子辐照（剂量1×1011至1×1012 ions/cm2），结构完整且未发生Ag掺杂。辐照引发中间带（IB）形成，优化光电器件性能，其中Ag-5e11样品转换效率达18.94%，证实离子辐照对提升中间带太阳能电池效率的有效性。

　　

C. Thiyakarajan | M. Balachandran | R. Hari Ramprasath | T. Logu | Ramcharan Meena | Asokan Kandasami | K. Sethuraman

印度泰米尔纳德中央大学技术学院材料科学系，晶体生长、薄膜与纳米材料实验室，蒂鲁瓦鲁尔

摘要

本研究采用化学喷雾热解法制备了CuGaS?（CGS）薄膜，并将其暴露在120 MeV的银离子辐照下，辐照强度分别为1 × 10^11至1 × 10^12离子/平方厘米（样品分别标记为Ag-1e11、Ag-5e11和Ag-1e12），以获得适用于中间带太阳能电池（IBSC）的最佳吸收层。X射线衍射和微拉曼光谱分析证实，无论是原始薄膜还是经过辐照的薄膜均具有黄铜矿晶体结构。辐照后的紫外-可见-近红外吸收光谱显示出现了新的能级，同时在带隙内形成了一个子带。扫描电子显微镜（SEM）图像显示形成了均匀的球形和椭球形颗粒，而能量色散X射线光谱（EDS）则证实银并未掺入薄膜基质中。电学表征表明，Ag-1e12样品的电阻率显著降低，这归因于载流子浓度的增加和电荷传输性能的改善。值得注意的是，Ag-5e11样品表现出最高的光电流响应，表明其子带生成效果显著。器件模拟结果显示，辐照样品的J-V特性得到改善。在所有样品中，Ag-5e11薄膜实现了最高的短路电流密度（J?_c）和18.94%的功率转换效率。这些发现表明，经过离子处理的CGS薄膜是高效IBSC吸收层的有希望候选材料，为下一代太阳能技术的发展奠定了基础。

引言

人类目前面临的最紧迫问题之一是能源危机，这主要是由于人口增长和电力生产资源不足[1]。与其他可再生能源（如风能、水能和生物质能）相比，太阳能是满足现代社会能源需求的最可持续选择之一[2]。中间带太阳能电池（IBSC）的概念旨在提高光伏太阳能电池的能量效率和成本效益[3][4]。在传统的单结太阳能电池中，阳光直接将电子从价带（VB）激发到导带（CB）。而在IBSC中，中间带（IB）作为三个光子跃迁（VB到IB、IB到CB以及VB到CB）的中介[5][6]。Schokley-Queisser（SQ）极限计算表明其效率可达63.1%，高于单结太阳能电池的40.7%[7][8]。基于铜的硫属化合物材料在光电和光伏应用中得到广泛应用[9][10][11][12]，其中硫化铜镓（CuGaS?）这种三元硫属半导体具有2.4 eV的直接带隙，适用于光电和光伏领域[13][14][15][16]。目前仅有少数方法可以在材料带隙内引入子带，包括过渡金属掺杂、复合制备、退火和离子辐照等。 高强度激发（如高压、高温和粒子辐照）可以改变材料的结构、电学和光学性质。在上述沉积后处理技术中，使用MeV范围内的高能离子辐照来修改材料性质是一种常用的方法。高能离子在几纳米半径范围内形成密集的能量沉积层，并延伸至数十微米[17]。加速器可以为粒子提供从几千电子伏特到几百吉电子伏特不等的能量。根据施加在材料上的能量，这些离子束可分为两类：低能离子束在穿过材料时通过弹性碰撞损失能量；而高速重离子（SHI）具有较大的原子质量和数百MeV的能量，主要通过非弹性碰撞与材料相互作用[18]。Suba Viveka等人研究了Fe掺杂对CuGaS?薄膜的影响，发现当Fe原子百分比为0.05时，薄膜形成的中间带表现出最高的光电流、电导率和中间带光学响应[19]。Vijayan研究了钒在CuGaS?体系中的掺入效果，发现V-0.1掺杂的样品具有最佳的光伏性能[20]。Vijayan等人还报告了随着Fe离子掺入量的增加，电池效率呈现上升趋势[21]。本研究中，我们探讨了不同银离子辐照强度对通过喷雾热解法制备的CuGaS?薄膜的子带形成和光电性质的影响，并通过SCAPS-1D模拟工具对基于CuGaS?/CdS的太阳能电池进行了建模，将实验得到的参数纳入模拟中。模拟结果与实验观察结果一致，进一步证明了SHI诱导的子带工程在优化先进太阳能电池用CGS吸收层中的重要性。

CuGaS?薄膜的制备

0.1 M CuCl?·2H?O（99% Alfa Aesar）、0.1 M Ga(NO?)?（99.9%，Alfa Aesar）和0.3 M CH?N?S（99%，Merck）分别作为铜（Cu）、镓（Ga）和硫（S）的前驱体。将三种前驱体溶解在45毫升双蒸水中，搅拌30分钟后得到透明的CuGaS?前驱体溶液。实验前，先用洗涤剂溶液清洗了 Soda Lime Glass（SLG）基底，随后将基底浸入铬酸中处理。

X射线衍射分析

通过X射线衍射分析了不同辐照强度对材料结构的影响。图1(a)显示了原始薄膜和辐照后薄膜的XRD图谱，所有峰都与JCPDS卡片编号25–0279匹配，证实了样品为纯净的四方黄铜矿相[22]。28.7°、45.8°、48.2°和56.9°处的峰分别对应于（112）、（220）、（204）和（312）晶面。辐照后，（112）晶面的强度有所增强。

结论

通过化学喷雾热解法成功制备了CuGaS?薄膜，并通过120 MeV银离子辐照进行了改性。结构分析表明黄铜矿相得以保持，但辐照导致XRD强度降低和轻微的晶格畸变。光学吸收研究显示出现了子带能级，表明形成了子带。扫描电子显微镜观察到的形态变化包括...

CRediT作者贡献声明

C. Thiyakarajan：撰写——审稿与编辑、原始稿撰写、方法论设计、实验研究、数据分析。 M. Balachandran：撰写——审稿与编辑。 R. Hari Ramprasath：撰写——审稿与编辑。 T. Logu：撰写——审稿与编辑。 Ramcharan Meena：撰写——审稿与编辑、原始稿撰写、方法论设计。 Asokan Kandasami：撰写——审稿与编辑、方法论设计、实验研究。 K. Sethuraman：撰写——审稿与编辑、结果验证、实验监督、资源协调、方法论设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢新德里的Inter University Accelerator Centre（IUAC，BTR编号67314）提供的财务支持和辐照条件，以及比利时根特大学的Marc Burgelman教授提供的SCAPS-1D模拟软件。