10000936_采用SCAPS模拟分析KF-PDT对CIGS薄膜太阳电池器件性能的影响-solarbe文库

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采用 SCAPS 模拟分析 KF-PDT 对 CIGS 薄膜太阳电池器件性能的影响程世清，张运祥，史思涵，何志超，刘玮 *，孙云 * （天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室南开大学电子信息与光学工程学院天津 300350）摘要本文采用 SCAPS 模拟软件，对 KF-PDT 后引起吸收层特性改变的主要的四个方面进行模拟，研究限制 KF-PDT 器件性能提升的潜在因素。结果显示限制 KF-PDT 器件性能提升的主要因素是 Jsc 及 FF 的降低。而增加吸收层表面 CdCu的浓度及降低界面缺陷态密度都有助于增加 Jsc 和 FF，从而提升器件的效率 η。同时模拟发现，KF-PDT 对导带失调值 ΔAB≥0eV的器件性能提升明显，而对 ΔAB≤0eV的器件性能提升较弱。因此如何合理的控制吸收层表面 CdCu 的浓度及 Ga 含量是决定器件性能提升的关键因素。以上我们的模拟对探索 KF-PDT 提升器件性能方面有一定的指导意义。关键词太阳电池，铜铟镓硒，氟化钾后处理，表面化合物，带隙失调 1、研究背景与内容 KF 的后处理（KF-PDT ）使得 CIGS 电池的世界记录在近年来得到了连续的刷新，最高效率达到 22.3。大量研究小组对 KF-PDT 提高 CIGS 电池性能的机制进行了研究，发现 KF-PDT 在提升器件的 Voc 方面有很好的促进作用，但是对 Jsc 及 FF 有不同的结果。本文采用 SCAPS 模拟软件对 KF-PDT 后引起吸收层特性改变的主要的四个方面进行模拟，研究限制 KF-PDT 器件性能提升的主要因素。本文的主要内容（1）模拟吸收层内载流子浓度的增加对器件性能的影响（2）模拟在载流子浓度增加的基础上表面带隙的扩宽对器件性能的影响（3）模拟在载流子浓度增加及表面带隙扩宽的基础上，吸收层前表面 CdCu的浓度对器件性能的影响（4）模拟界面缺陷态密度的降低对器件性能的影响通过以上四个方面的模拟，研究限制 KF-PDT 器件性能提升的主要因素及给出如何解决以上问题的方法。 2、研究结果与讨论 2.1 载流子浓度的增加对器件性能的影响发现随着载流子浓度的增加器件效率 η增加，这主要是由于载流子浓度的增加使异质结内建电场 Vbi 增加造成的。 2.2 吸收层表面带隙扩宽对器件性能的影响在 2.1 载流子浓度增加的基础上，扩宽吸收层表面的带隙，发现当 ΔAB≥0eV，表面带隙扩宽使器件的 Voc 提升，但是器件效率 η下降。限制器件效率 η提升的主要因素是由于 KF-PDT 引起吸收层/缓冲层表面较高的电子势垒导致 Jsc 及 FF 的下降。 2.3、Cd Cu的浓度对器件效率的影响图 1、在载流子浓度增加310 15cm-3）及表面带隙扩宽（2.52eV）的情况下，不同导带失调 ΔAB的器件的性能，随着吸收层前表面 CdCu浓度从 21016cm-381016cm-3 的变化所对应的器件的 Voc，Jsc，FF 和 Eff 的变化情况。W-No-CdCu 代表表面带隙扩宽且无 CdCu,W-CdCu2E168E16代表表面带隙扩宽且含有 CdCu，No-PDT 代表无 KF-PDT。图 2、为最大功率点 Mpp 时的能带图aΔAB0.3eV 时不同的 CdCu浓度的能带图.bΔAB-0.3eV 时不同的 CdCu浓度的能带图。No-PDTblack line代表无 KF-PDT 之前,W-No-CdCu（red line）代表 KF-PDT 后表面无 CdCu,W-CdCu-2E16（blue line ）代表 KF-PDT 后前表面 CdCu 浓度为 11016cm-3，W-CdCu- 8E16（blue line ）代表 KF-PDT 后前表面 CdCu 浓度为 11016cm-3。如（图 1.a-b所示，在表面带隙扩宽的基础上，增加吸收层前表面 CdCu的浓度，发现当 ΔAB≥0eV时器件的 Jsc 及 FF 会有所增加，这主要是因为（如图 2.a）所示由 KF-PDT 引起的缓冲层/吸收层界面的电子势垒 qΦbn 随着吸收层前表面 CdCu浓度的增加而下降，因此有助于 Jsc 及 FF 的提升，有益于器件效率 η提升。而对于 ΔAB≤0eV，器件的 Jsc 及 FF 随 CdCu浓度的增加有所提升，但是仍然低于 No-PDT 的样品，这主要是由于（如图 2.b所示吸收层表面 CdCu浓度的增加无法消除由 KF-PDT 引起的吸收层/缓冲层界面的电子势垒，同时由于 CdCu为施主型缺陷，其浓度的增加会引起吸收层内及界面复合的增加，对 Voc 也有降低的作用，因此对于 ΔAB≤0eV而言，无法提高其器件的效率。 2.4 界面缺陷态密度的变化对器件性能的影响界面缺陷态密度的降低同 2.3 CdCu浓度的作用效果类似。都是可以降低吸收层 /缓冲层的电子势垒及增加空穴势垒，提升器件的 FF。 2.5 总结本文采用 SCAPS 模拟软件，对 KF-PDT 后引起吸收层特性改变的主要的四个方面进行模拟，研究限制 KF-PDT 器件性能提升的潜在因素。结果显示限制 KF-PDT 器件性能提升的主要因素是 Jsc 及 FF 的降低。而 Jsc 及 FF 的增加，可以通过而增加吸收层表面 CdCu的浓度及钝化吸收层表面降低界面缺陷态密度来实现。同时吸收层表面 Ga 含量应控制在使导带失调 ΔAB≥0eV的范围内。以上我们的模拟及分析对探索 KF-PDT 提升器件性能方面有一定的指导意义。致谢本工作感谢国家自然基金（项目号61774089, 61504067）；“扬帆计划”引进创新创业团队专项资助（项目编号2014YT02N037）；“广东省科技计划产学研项目项目编号 2015B090901027”；天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室支持。参考文献 [1] B. Umsur, W. Calvet, A. Steigert, I. Lauermann, M. Gorgoi, K. Prietzel, D. Greiner, C.A. Kaufmann, T. Unold, M. Lux-Steiner, Investigation of the potassium fluoride post deposition treatment on the CIGSe/CdS interface using hard X-ray photoemission spectroscopy - a comparative study, Physical chemistry chemical physics PCCP, 18 2016 14129-14138. [2] A. Chirila, P. Reinhard, F. Pianezzi, P. Bloesch, A.R. Uhl, C. Fella, L. Kranz, D. Keller, C. Gretener, H. Hagendorfer, D. Jaeger, R. Erni, S. Nishiwaki, S. Buecheler, A.N. Tiwari, Potassium-induced surface modification of CuIn,GaSe2 thin films for high-efficiency solar cells, Nature materials, 12 2013 1107-1111. [3] C.-H. Hsu, W.-H. Ho, S.-Y. Wei, C.-H. Lai, Over 14 Efficiency of Directly Sputtered CuIn,GaSe2 Absorbers without Postselenization by Post-Treatment of Alkali Metals, Advanced Energy Materials, 7 2017 1602571. [4] P. Jackson, R. Wuerz, D. Hariskos, E. Lotter, W. Witte, M. Powalla, Effects of heavy alkali elementsin CuIn,GaSe-2 solar cells with efficiencies up to 22.6, Phys Status Solidi-R, 10 2016 583-586. 作者简介姓名程世清通讯作者刘玮，孙云主要研究方向碱金属掺杂对 CIGS 太阳电池器件性能的影响 Emialwwlnankai.edu.cn，sunynankai.edu.cn 通讯地址南开大学光电子所