肖友鵬

(東華理工大學(xué)核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心， 南昌 330013)

0 引 言

薄膜太陽(yáng)電池因其材料使用少、制造成本低、器件轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性不斷提高，在光伏市場(chǎng)商業(yè)化應(yīng)用中潛力巨大[1]。銅銦鎵硒和碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池是當(dāng)前主流的薄膜器件技術(shù)，Solar Frontier和First Solar制備的這兩種薄膜太陽(yáng)電池，分別取得了高達(dá)23.4%和22.1%的效率紀(jì)錄[2-3]。但鎘是有毒重金屬元素，碲和銦是稀有元素，人們將目光轉(zhuǎn)向了儲(chǔ)量豐富、環(huán)境友好的光伏材料，比如銅鋅錫硫、硒化銻、硫化銻、硫化錫和硫化亞鍺(GeSe)等[4-8]。GeSe禁帶寬度為1.14 eV，可見(jiàn)光波段光學(xué)吸收系數(shù)高，由于熔點(diǎn)低能在較低溫下生長(zhǎng)高品質(zhì)薄膜，化學(xué)穩(wěn)定性高，是一種優(yōu)異的半導(dǎo)體材料。胡勁松課題組利用近空間升華法生長(zhǎng)了GeSe薄膜，制備了底襯結(jié)構(gòu)(Ag/ITO/i-ZnO/CdS/GeSe/Mo/玻璃)和頂襯結(jié)構(gòu)(玻璃/ITO/CdS/Sb2Se3鈍化層/GeSe/Au)的薄膜太陽(yáng)電池，分別取得了3.1%[9]和5.2%[10]的轉(zhuǎn)換效率。

頂襯結(jié)構(gòu)薄膜太陽(yáng)電池的吸收層直接沉積在常用的CdS層上，沉積過(guò)程中通常需要高溫制程來(lái)獲得高質(zhì)量的薄膜，比如沉積銅銦鎵硒和銅鋅錫硫的溫度分別為550 ℃[11]和500 ℃[12]，p-n結(jié)將經(jīng)歷退火過(guò)程，導(dǎo)致界面擴(kuò)散，比如Cd原子從CdS層擴(kuò)散進(jìn)入GeSe薄膜，在GeSe禁帶中引入深俘獲能級(jí)[9]。將Sb2Se3鈍化層鍵入CdS和GeSe之間能改善界面擴(kuò)散效應(yīng)[10]，但增加了太陽(yáng)電池的制程。頂襯結(jié)構(gòu)薄膜太陽(yáng)電池中太陽(yáng)光是從玻璃進(jìn)入的，要求玻璃在可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有高的透過(guò)率。底襯結(jié)構(gòu)薄膜太陽(yáng)電池先沉積吸收層薄膜再沉積CdS層，有效避免了Cd原子的擴(kuò)散[9]。底襯結(jié)構(gòu)的銅銦鎵硒和碲化鎘等薄膜太陽(yáng)電池一般先在玻璃上沉積Mo層，接著沉積吸收層和緩沖層，然后沉積本征ZnO(i-ZnO)和鋁摻雜ZnO(AZO)，最后制作金屬柵線(xiàn)。底襯結(jié)構(gòu)的薄膜太陽(yáng)電池中太陽(yáng)光是經(jīng)由正面金屬柵線(xiàn)進(jìn)入的，對(duì)背面玻璃的透過(guò)率沒(méi)有要求?？紤]到后續(xù)GeSe基薄膜太陽(yáng)電池的工藝兼容性，本研究中器件基于常用的底襯結(jié)構(gòu)，以CdS作為緩沖層，GeSe作為吸收層，對(duì)結(jié)構(gòu)為金屬柵線(xiàn)/AZO/i-ZnO/CdS/GeSe/Mo/玻璃的薄膜太陽(yáng)電池進(jìn)行數(shù)值模擬，以深入了解器件的物理機(jī)制，分析材料參數(shù)與器件性能之間的關(guān)系。

1 器件結(jié)構(gòu)與模擬參數(shù)

數(shù)值模擬采用的是太陽(yáng)電池模擬軟件wxAMPS，該軟件模型的求解是基于載流子連續(xù)性方程和泊松方程[13]。圖1顯示了模擬中由金屬柵線(xiàn)/AZO/i-ZnO/CdS/GeSe/Mo/玻璃組成的器件結(jié)構(gòu)，其中CdS是太陽(yáng)電池的緩沖層，GeSe是太陽(yáng)電池的吸收層。模擬所用的材料特性參數(shù)來(lái)源于文獻(xiàn)報(bào)道，表1列出了模擬的主要材料參數(shù)及其值。在表中，εr指的是相對(duì)介電常數(shù)，χe和Eg分別指的是電子親和能和禁帶寬度，NA和ND分別指受主摻雜濃度和施主摻雜濃度，Nc和Nv分別指導(dǎo)帶有效態(tài)密度和價(jià)帶有效態(tài)密度。在本研究中，假設(shè)GeSe吸收層的初始體缺陷密度為1015cm-3，電子和空穴的熱速度設(shè)置為107cm/s。

表1 GeSe基薄膜太陽(yáng)電池模擬所使用的材料參數(shù)Table 1 Materials parameters used for simulation of the GeSe based thin film solar cells

2 結(jié)果與討論

2.1 緩沖層厚度和摻雜濃度對(duì)太陽(yáng)電池性能的影響

n型緩沖層與p型吸收層構(gòu)成太陽(yáng)電池的p-n結(jié)，優(yōu)化緩沖層的厚度和摻雜濃度對(duì)于太陽(yáng)電池獲得高的光伏性能非常重要。圖2是緩沖層厚度從0.02 μm變化到0.10 μm時(shí)GeSe基太陽(yáng)電池的性能參數(shù)變化情況，其中Voc是開(kāi)路電壓，Jsc是短路電流，F(xiàn)F是填充因子，η是轉(zhuǎn)換效率。由圖2可以看出，Voc隨著緩沖層厚度的增加而下降，這可能是由于隨著厚度的增加器件中的串聯(lián)電阻和載流子復(fù)合增加。隨著緩沖層厚度的增加，Jsc、FF和η的變化趨勢(shì)相似，都有一定幅度的增加。當(dāng)緩沖層厚度增加到0.06 μm時(shí)，F(xiàn)F和η分別達(dá)到77.16%和20.29%。此后隨著緩沖層厚度的增加，F(xiàn)F和η趨于飽和。因此為了優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，CdS緩沖層的厚度可以取0.06 μm。

圖3是緩沖層摻雜濃度從1011cm-3變化到1018cm-3時(shí)GeSe基太陽(yáng)電池的性能參數(shù)變化情況。由圖3可以看出，隨著緩沖層摻雜濃度從1011cm-3增加到1016cm-3，Voc、Jsc、FF和η近似保持不變，當(dāng)緩沖層摻雜濃度繼續(xù)增加時(shí)，Voc開(kāi)始下降，而Jsc、FF和η開(kāi)始增加。因此為了優(yōu)化器件性能，緩沖層的摻雜濃度可以取為1018cm-3，此時(shí)GeSe基太陽(yáng)電池的η為20.70%。

2.2 吸收層厚度和摻雜濃度對(duì)太陽(yáng)電池性能的影響

吸收層厚度對(duì)吸收層品質(zhì)和器件性能有非常重要的影響。圖4是吸收層厚度從0.3 μm變化到1.0 μm時(shí)GeSe基太陽(yáng)電池的性能參數(shù)變化情況。由圖4可以看出，吸收層厚度的增加有利于器件性能的提升，這是因?yàn)楹穸鹊脑黾佑欣诋a(chǎn)生更多的光生載流子并且有恰當(dāng)?shù)暮穸葋?lái)收集光生載流子。當(dāng)吸收層厚度為1.0 μm時(shí)GeSe基太陽(yáng)電池的Voc、Jsc、FF和η分別為675 V、39.58 mA/cm2、77.82%和20.80%。因此GeSe吸收層的厚度可以取為1.0 μm。

吸收層摻雜濃度在決定器件性能方面發(fā)揮重要作用。圖5是GeSe吸收層摻雜濃度從1013cm-3增加到1020cm-3時(shí)GeSe基太陽(yáng)電池的性能參數(shù)變化情況。由圖5可以看出，隨著吸收層摻雜濃度的增加，Voc、FF和η都能得到明顯的提升，而Jsc先增加后降低。吸收層摻雜濃度增加時(shí)，能夠增強(qiáng)太陽(yáng)電池的內(nèi)建電場(chǎng)，改善載流子的傳輸，有利于提升太陽(yáng)電池的Voc和FF。而隨著吸收層摻雜濃度的增加，載流子的散射作用增強(qiáng)，太陽(yáng)電池的Jsc會(huì)降低。當(dāng)吸收層摻雜濃度增加到1020cm-3時(shí)，GeSe基太陽(yáng)電池的Voc、FF和η分別能夠達(dá)到918 mV、87.33%和27.59%。

2.3 吸收層中體缺陷對(duì)太陽(yáng)電池性能的影響

吸收層中的體缺陷充當(dāng)載流子的復(fù)合中心，并且還會(huì)降低載流子的壽命和遷移率，因此高的體缺陷密度對(duì)太陽(yáng)電池的性能有嚴(yán)重的影響。圖6是GeSe吸收層中體缺陷密度從1015cm-3增加到1020cm-3時(shí)太陽(yáng)電池的電流密度-電壓曲線(xiàn)。由圖6可以看出，當(dāng)體缺陷密度超過(guò)1016cm-3時(shí)，器件性能?chē)?yán)重衰退，說(shuō)明缺陷引起的SRH(Shockley-Read-Hall)復(fù)合過(guò)程在器件轉(zhuǎn)換效率下降方面發(fā)揮非常重要的作用。

3 結(jié) 論

本文構(gòu)筑并模擬研究了結(jié)構(gòu)為金屬柵線(xiàn)/AZO/i-ZnO/CdS/GeSe/Mo/玻璃的薄膜太陽(yáng)電池。優(yōu)化CdS緩沖層厚度為0.06 μm時(shí)，太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率為20.29%，接著優(yōu)化CdS緩沖層的摻雜濃度為1018cm-3，此時(shí)太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率為20.70%。繼續(xù)優(yōu)化GeSe吸收層厚度為1.0 μm時(shí)，太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率為20.80%，然后優(yōu)化GeSe吸收層摻雜濃度為1020cm-3，此時(shí)太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)27.59%。最后還模擬了GeSe吸收層中體缺陷密度對(duì)器件性能的影響，發(fā)現(xiàn)高的體缺陷密度嚴(yán)重沖擊器件的光伏性能。這些結(jié)果表明GeSe基薄膜太陽(yáng)電池有成為高效光伏器件的潛力。