10001827_开尔文探针法表征CdTe退火过程中晶界钝化-solarbe文库

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开尔文探针法表征 CdTe 退火过程中晶界钝化王文武李创陈钢张静全武莉莉冯良桓四川大学材料科学与工程学院在 CdCl2 的环境下退火对多晶 CdTe 太阳电池器件的整体性能提升发挥着重要作用。 Zhang 等过第一性原理计算得出，CdTe 中 Cl 的存在能够有效的钝化晶界，降低缺陷态密度 [1]。但是由于晶界的尺寸受限，很难对其直接进行分析和表征。开尔文探针原子力显微镜（KPFM）因其较高的分辨率，以及测试的灵敏性，很适合用来分析 CdTe 薄膜中的晶界的性质。本文主要采用气相输运法制备多晶 CdTe 薄膜，通过 KPFM 测量晶界处接触势差，探究含 Cl 氛围下退火对晶界处电子学性质的影响，探究钝化机理。图 1.刚沉积与退火后 CdTe 表面形貌与表面接触势，其中a c为表面形貌，bd为接触势。图 2.刚沉积的 CdTe 薄膜与退火后样品费米能级的位置与测得接触势之间的关系刚沉积的 CdTe 薄膜有很多细小的晶粒组成（图 1,a），退火后 CdTe 薄膜（图 1,c）中晶粒体积明显增大，且退火有助于晶粒的融合长大。退火以后样品表面的接触势明显增大。图 2 为刚沉积 CdTe 薄膜与退火后样品费米能级位置之间的关系，退火后样品费米能级位置上升，而 CdTe 为 P 型半导体，考虑非简并状态时半导体中空穴的浓度服从玻尔兹曼分布 𝑝𝑁𝑉𝑒𝑥𝑝[𝐸𝑉‒𝐸𝐹/𝑘𝐵𝑇] 费米能级提升，就会加大费米能级与价带之间的距离，说明退火后 CdTe 薄膜中载流子浓度有所降低，有文献报道 Cl 对于 CdTe 为施主杂质[1]，因此其载流子浓度的降低的原因可能是由于退火过程中 Cl 掺杂而引起的补偿效应。从表面的电势分布可以明显看出，由于晶界与晶粒之间载流子接触势的差异，在晶界与晶粒之间通过载流子的迁移达到平衡。图 3 为刚沉积 CdTe 薄膜与退火后样品中选取晶界进行选区分析，选取的具体位置在图 1 中标出，晶粒之间通过晶界相互连接，在晶界处形成一个向上弯曲的能带结构，这与 Brooks 的结论一致[2]，从图 3 可以看出退火后晶界处势垒高度明显降低，晶界对晶粒内部的耗尽明显削弱。由于晶界对 CdTe 晶粒没有产生耗尽，因此晶界处势垒的高度主要由晶界处的缺陷态密度决定[3]，因此退火后晶界处势垒高度明显降低，说明退火过程对晶界处的缺陷态起到了明显的钝化作用，并且晶界对晶粒内部的耗尽降低，降低了晶界对晶粒内部的影响。 020.4.60.8121.4-145-310-25-10-5 CPD mV Distance umFWHM0.7μmeight-21V020.4.60.8121.426572580259025 CPDmV Distance umFWHM0.42μmeight-139V 图 3.（a）刚沉积 CdTe 薄膜晶界处势垒分布（b）退火后样品晶界处势垒分布。采用 KPFM 探究 CdCl2 环境下退火对 CdTe 晶界的影响，研究结果表明合适的退火有助于在 CdTe 薄膜内部形成均匀的电势分布。在晶界处能带结构服从向上弯曲的模型，退火后晶界处势垒高度以及晶界对晶粒内部耗尽的宽度明显降低。晶界的钝化，以及晶界对晶粒内部电场的降低，将会促进载流子在器件内部的纵向输运，这也可能是退火后器件转换效率可以得到大幅度提升的原因。参考文献 [1] L. Zhang, J.L. Da Silva, J. Li, Y. Yan, T.A. Gessert, S.H. Wei, Effect of copassivation of Cl and Cu on CdTe grain boundaries, Phys. Rev. Lett., 101 2008 155501. [2] W.S.M. Brooks, S.J.C. Irvine, D.M. Taylor, Scanning Kelvin probe measurements on As-doped CdTe solar cells, Semicond. Sci. Technol., 28 2013 105024. [3] J.Y.W. Seto, The electrical properties of polycrystalline silicon films, J. Appl. Phys., 46 1975 5247-5254. （a）（b）