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宽带隙 CdSO 窗口层在 Sb2Se3 薄膜太阳电池中的应用 欧炽柱,沈凯,黄泰郎,麦耀华 (暨南大学,新能源技术研究院,510632) 摘 要 本文采用射频磁控溅射法在氧气和氩气的混合气氛下制备掺氧 CdS 薄膜CdSO,研究 了不同的氧掺杂对其光学特性的影响。通过优化氧掺杂比例,将 CdSO 薄膜作为窗口层应用于 制备顶衬的 CdSO/Sb2Se3 异质结太阳电池,实现了 6.3 的光电转换效率。同时,研究发现在 掺氧气氛下溅射的 CdSO 薄膜可以有效钝化界面缺陷,显著改善 CdSO/ Sb2Se3 异质结质量, 提高器件的开路电压、短路电流密度和光电转换性能。 关键词CdSO;磁控溅射;Sb 2Se3;太阳电池 1 研究背景与内容 近年来,硒化锑Sb 2Se3由于其合适的带隙约 1.1eV、足够大的吸收系数10 5 cm-1、低毒 性、低成本和地壳丰度高等特点而成为一种十分有前景的光伏材料[1]。硫化镉CdS是 Sb2Se3 太阳电池中最常用的 n 型窗口层。然而,由于 CdS 具有约 2.4eV 的带隙,其在短波段区域中会 造成大量的吸收,从而减小太阳电池的短路电流密度[2-3]。此外,传统的 CdS 一般采用化学水 浴沉积CBD法来制备,这样会造成原料的浪费,产生大量的有害废弃物,并且也不利于工业 化生产和后续的 Sb2Se3 真空沉积工艺。 本文采用射频磁控溅射技术在氧气和氩气的混合气氛下制备 CdSO 薄膜,研究不同的氧气 和氩气的流量比例对 CdSO 薄膜光学特性的影响,并将 CdSO 薄膜应用于制备顶衬的 CdSO/ Sb2Se3 异质结太阳电池,研究对其器件性能的影响。 2 研究结果与讨论 2.1 CdSO 薄膜的光学特性 图 1 不同 O2/Ar 比例0-4下制备的 CdSO 薄膜的透射光谱,内嵌图是 CdSO 薄膜的 – 关系图 𝛼ℎ𝑣2 ℎ𝑣 图 1 给出了在不同的氧气和氩气流量比例的条件下制备的 CdSO 薄膜在 300nm-1100nm 光 谱范围内的透射谱。从图中可以发现,随着 O2/Ar 比例的增大,可以观察到吸收边缘的连续蓝 移,表明 CdSO 薄膜在短波段区域的吸收逐渐减少了。内嵌图给出了 CdSO 薄膜吸收光谱的 - 曲线,通过将线性区域外推到 x 轴上,可以得出 0,1 ,2,3 和 4的 O2/Ar 𝛼ℎ𝑣2 ℎ𝑣 比例的 CdSO 薄膜的能量带隙为 2.37 eV,2.45 eV,2.52 eV,2.64eV 和 3.11eV。因此,可以看 出随着 O2/Ar 比例的增大,CdSO 薄膜的能量带隙将逐渐变大,由此可以制备得到宽带隙的 CdSO 薄膜应用于 Sb2Se3 太阳电池来提升器件的性能。 2.2 CdSO 薄膜对电池性能的影响 图 2 不同 O2/Ar 比例的 CdSO 薄膜制备的器件 a J-V 曲线图 b EQE 对比图 表 1 不同 O2/Ar 比例的 CdSO 薄膜制备的器件输出特性 O2/Ar Jsc/mA cm-2 Voc/mV FF/ Eff/ 0 21.99 359 51.85 4.10 1 26.04 384 57.51 5.76 2 27.21 394 58.67 6.30 3 27.29 394 56.91 6.13 4 26.07 400 57.08 5.94 图 2 a 给出了 0-4 O2/Ar 的 CdSO 薄膜制备的顶衬 CdSO/ Sb2Se3 异质结太阳电池的 J- V 曲线图,结合表 1 给出的详细的器件输出特性,可以发现在纯氩气氛下溅射得到的 CdS 的器 件性能较差,而掺入氧后溅射得到的 CdSO 的器件的开路电压和填充因子等输出特性都得到了 显著性的提升。图 2 b 给出了相应器件的 EQE 对比图,可以发现随着 O2/Ar 比例的增大,短 波段区域电流的收集得到了较大的改善,对应于器件的短路电流密度的提高,这也和不同 O2/Ar 比例的 CdSO 薄膜所显示的透射图谱结果相符合。同时可以发现 0 O2/Ar 的薄膜的器件 在中间波段的 EQE 值都比较小,表明其存在较严重的界面复合,减少了空间电荷区载流子的收 集,进一步减小了短路电流密度。此外,从表 1 可以看出,2 O2/Ar 的 CdSO 薄膜制备的器件 性能最好,实现了 6.3 的光电转换效率。 图 3 不同 O2/Ar 比例的 CdSO 薄膜制备的器件 a暗态 J-V 曲线图 b 串并联电阻示意图 c 二极管理想因子和反向 饱和电流密度示意图 图 3 a 给出了 0-4 O2/Ar 的 CdSO 薄膜用作窗口层制备的 Sb2Se3 太阳电池暗态 J-V 曲 线,可以发现随着 O2/Ar 比例的增大,相应器件的暗态反向漏电流逐渐减小,表明相应的 pn 结 质量逐渐提高。通过对暗态 J-V 曲线进行相应的拟合及计算可以得到图 3 b 中的相应器件的 串并联电阻示意图和图 3 c 中的二极管理想因子和反向饱和电流密度示意图。从图 3 b 中可 以看出相对于纯氩气氛下溅射的 CdS 制备的器件,在氧气和氩气的混合气氛下溅射的 CdSO 制 备的器件的串联电阻都比较小,且并联电阻也要大得多,由此解释了 1-4 O2/Ar 的器件比 0 O2/Ar 的器件的填充因子都要更大的原因。一般认为,异质结太阳电池的 Voc 与界面缺陷的密 度有很强的相关性,而界面缺陷正是通过促进界面复合来增加 J0。从图 3 c 中可以看出相对 于 0 O2/Ar 的器件,高于 0 O2/Ar 的器件的 J0 都要更小,表明其界面复合要更少,界面缺陷 得到了钝化,由此解释了其开路电压普遍要更高的原因[4]。 3 结论 本文通过射频磁控溅射工艺在不同 O2/Ar 比例的气氛下制备了 CdSO 薄膜,研究了其光学 特性,并将其作为窗口层应用于顶衬 CdSO/ Sb2Se3 异质结太阳电池中,以达到通过增大窗口层 的能量带隙来减少吸收损失的目的。相对于纯氩气氛下溅射的 CdS 薄膜制备的器件,掺氧气氛 下溅射的 CdSO 薄膜制备的器件的 J-V 曲线和 EQE 响应均得到较好的改善,并实现了 6.3 的 光电转换效率,证实了 CdSO 薄膜可以有效钝化界面缺陷,减少界面复合,显著改善 CdSO/ Sb2Se3 异质结质量,从而提高器件的性能。 参考文献 [1] Wen X, He Y, Chen C, etc. Magnetron sputtered ZnO buffer layer for Sb2Se3 thin film solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells [J], 2017, 172 74-81. [2] Kephart JM, Geisthardt RM, and Sampath WS. Optimization of CdTe thin-film solar cell efficiency using a sputtered, oxygenated CdS window layer. Prog. Photovolt Res. Appl. [J], 2015, 23 1484-1492. [3] Gupta A, Allada K, Lee SH, Compaan AD. Oxygenated CdS window layer for sputtered CdS/CdTe solar cells. In Materials Research Society Symposium Proceedings [J], 2003, 763 341-346. [4] Liu X, Chen C, Wang L, etc. Improving the performance of Sb2Se3 thin film solar cells over 4 by controlled addition of oxygen during film deposition. Prog. Photovolt Res. Appl. [J], 2015, 23 1828-1836. 通讯作者麦耀华;研究方向新能源材料与器件;邮箱yaohuamaijnu.edu.cn
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