10001405_CdTe太阳电池前电极及背电极缓冲层能带结构对电池性能的影响-solarbe文库

资源描述：

CdTe 太阳电池前电极及背电极缓冲层能带结构对电池性能的影响李珣，肖迪，李强，王德亮 * （中国科学技术大学，合肥微尺度物质科学国家研究中心，合肥，230026）摘要本文研究了前电极及背电极缓冲层能带结构对 CdTe 薄膜太阳电池性能的影响。通过对比 Al2O3 和 SnO2 两种前电极缓冲层材料我们发现，前电极缓冲层处若形成阻碍电子传输的势垒，则会导致电池亮态下的电流密度电压J–V曲线在开路电压附近出现扭折现象，降低电池的开路电压V OC和填充因子FF 。通过使用 CuI 作为背电极缓冲层材料我们发现，背电极处存在电子势垒可以减少载流子在背电极处的复合，提高电池的开路电压。关键词CdTe；太阳电池；缓冲层；能带结构 1 研究背景与内容 CdTe 薄膜太阳电池作为廉价、高效的太阳电池在近几年得到了很大的发展。CdS/CdTe 薄膜太阳电池由多层薄膜堆叠而成，其结构为透明导电氧化物层TCO/前电极缓冲层/CdS 窗口层/CdTe 吸收层 /背电极缓冲层 /金属背电极。各层薄膜间的能带结构会对载流子的输运和电池的性能产生重要的影响。本文研究了 CdTe 太阳电池前电极及背电极缓冲层材料能带结构对电池的性能的影响，主要内容有 1）选取 Al2O3 和 SnO2 作为前电极缓冲层材料研究了前电极能带结构对电池性能的影响。 2）研究了 CuI 作为背电极缓冲层材料对电池性能的影响。 2 研究结果与讨论 2.1 前电极缓冲层能带结构对电池性能的影响 CdS 薄膜作为 CdTe 太阳电池的窗口层已经得到了广泛的应用，但 CdS 窗口层会对波长小于 520 nm 的太阳光产生强烈的吸收，降低太阳电池的短路电流。减薄 CdS 窗口层的厚度是降低 CdS 吸收的一种方法。但随着窗口层厚度的降低，电池中出现针孔、不连续等缺陷的概率大大增加，导致电池开路电压V OC和填充因子FF的降低[1] 。在透明导电薄膜与 CdS 窗口层之间加入一层前电极缓冲层是避免 VOC 和 FF 降低的有效方法[2]。本研究选取 Al2O3 和 SnO2 作为前电极缓冲层材料来研究前电极能带结构对电池性能的影响。图 1 分别展示了由 X 射线光电子能谱（XPS ）测试数据分析得到的 FTO/Al2O3/CdS 和 FTO/SnO2/CdS 异质结的能带结构[3,4]。结果表明，Al 2O3/CdS 界面存在 3.43 eV 的导带偏移，而 SnO2/CdS 界面导带偏移量则可以忽略不计。图 1 基于 XPS 数据得到的a FTO/Al2O3/CdS 和b FTO/SnO2/CdS 结构的能带图图 2 展示了本研究中所用的 CdTe 薄膜太阳电池的结构示意图以及分别使用不同厚度 Al2O3 和 SnO2 薄膜作为前电极缓冲层的 CdTe 太阳电池亮态下的电流密度电压J–V曲线。从 J–V 曲线可以看到，Al 2O3 前电极缓冲层的应用导致了 J–V 曲线在开路电压附近出现了扭折现象 roll-over behavior，这是由于 Al2O3/CdS 界面处存在较大的势垒，阻碍了光生电子的传输。作为对比，SnO 2 缓冲层的应用并未导致 J–V 曲线扭折现象的出现，而是提高了电池的 VOC 和 FF。这是由于 SnO2/CdS 界面几乎不存在势垒，电子可以顺利地通过 SnO2 缓冲层，SnO 2 缓冲层起到了阻挡漏电通道的作用。图 2 a电池结构示意图；具有不同厚度 Al2O3 b和 SnO2 c前电极缓冲层的 CdTe 电池亮态 J– V 曲线 2.2 CuI 作为背电极缓冲层材料对电池性能的影响 CdTe 具有较高的功函数，很难直接与金属背电极形成欧姆接触。通过在 CdTe 与金属背电极之间沉积功函数较高的材料作为背电极缓冲层，可以有效降低背电极处的能带不匹配，形成较好的欧姆接触[5] 。图 3 展示了由 XPS 测试数据分析得到的 CdTe/CuI 界面处能带结构，可以看出，CuI/CdTe 界面处价带偏移量为 0.08 eV，空穴可以顺利地通过 CuI 缓冲层传输到背电极。同时，CuI/CdTe 界面存在一个 1.63 eV 的导带偏移。导带的不匹配在背电极处形成一个电子势垒，可以阻碍光生电子向背电极处传输，减少载流子在背电极处的复合，从而提高电池的开路电压[6]。图 3 基于 XPS 数据得到的 CdTe/CuI 界面的能带结构图 4 展示了加入了不同厚度 CuI 背电极缓冲层的 CdTe 电池的 J–V 曲线以及电池性能参数。可以看出，加入 CuI 缓冲层后，电池 J–V 曲线在高偏压处的扭折现象消失（见图 4b），电池的开路电压和填充因子都得到提高。这是由于 CuI 缓冲层与 CdTe 在背电极处形成良好的欧姆接触，提高了填充因子。同时较大的导带偏移减少了载流子在背电极处的复合，提高了开路电压。图 4 a 具有不同厚度 CuI 背电极缓冲层的 CdTe 电池亮态 J–V 曲线；b 具有不同背接触结构的 CdTe 电池的亮态及暗态 J–V 曲线对比图 3 结论本文研究了前电极及背电极缓冲层能带结构对 CdTe 薄膜太阳电池性能的影响。我们分别使用 Al2O3 和 SnO2 薄膜作为前电极缓冲层，通过对比两种缓冲层的能带结构我们发现，前电极缓冲层处若形成阻碍电子传输的势垒，则会导致电池亮态下的 J–V 曲线在开路电压附近出现扭折现象，降低电池的开路电压和填充因子。通过使用 CuI 作为背电极缓冲层材料，我们发现，背电极处存在电子势垒可以减少载流子在背电极处的复合，提高电池的开路电压。参考文献 [1] Yang R, Wang D, Wan L and Wang D. High-efficiency CdTe thin-film solar cell with a mono- grained CdS window layer[J]. RSC Advances, 2014, 442 22162–22171. [2] Wu X. High-efficiency polycrystalline CdTe thin-film solar cells[J]. Solar Energy, 2004, 776 803-814. [3] Li X, Shen K, Li Q, Deng Y, Zhu P and Wang D. Roll-over behavior in current–voltage curve introduced by an energy barrier at the front contact in thin film CdTe solar cell[J]. Solar Energy, 2018, 165 27–34. [4] Fritsche J, Kraft D, Thißen A, Mayer T, Klein A and Jaegermann W. Band energy diagram of CdTe thin film solar cells[J]. Thin Solid Films, 2002, 403 252-257. [5] Paudel N R, Xiao C and Yan Y. CdS/CdTe thin-film solar cells with Cu-free transition metal oxide/Au back contacts[J]. Progress in Photovoltaics Research and Applications, 2015, 234 437-442. [6] Hsiao K J and Sites J R. Electron reflector to enhance photovoltaic efficiency application to thin- film CdTe solar cells[J]. Progress in Photovoltaics Research and Applications, 2012, 204 486-489. 邮箱lixun93mail.ustc.edu.cn