10000917_Zn(O,S)CZTSe及In2S3Zn(O,S)CZTSe薄膜太阳电池的数值仿真-solarbe文库

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ZnO,S/CZTSe及In 2S3/ZnO,S/CZTSe薄膜太阳电池的数值仿真姜振武，高守帅，王思宇，王东潇，孙亚莉，曾玉，李秀玲，潘国兴, 张毅 * 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 摘要利用wxAMPS软件ZnO,S/CZTSe太阳电池进行了模拟仿真，研究了ZnO,S缓冲层中不同的 S/SO比值和ZnO,S层的厚度对ZnO,S/CZTSe 太阳电池的性能的影响。并在传统的 ZnO,S /CZTSe太阳电池的结构中引入了 In2S3缓冲层，通过退火处理的方法使In 2S3扩散到ZnO,S层中，形成In Zn替位。实现对ZnO,S缓冲层进行n型掺杂，从而提高ZnO,S缓冲层的载流子浓度，通过模拟仿真得到了不同ZnO,S层载流子浓度以及不同In 2S3缓冲层残留厚度对器件性能的影响。关键词CZTSe薄膜、ZnO,S缓冲层、In 2S3缓冲层、wxAMPS仿真 1.研究背景与内容 Cu2ZnSnS,Se4薄膜电池的效率已经达到12.6 [1]，传统的CZTSe电池通常利用化学水浴法制备CdS 薄膜作为缓冲层。但由于CdS带隙较窄影响电池在短波段的吸收，且Cd 元素为有毒元素，因此ZnO,S薄膜以其带隙可调2.6-3.8eV、元素储备丰富且无毒等特点，成为了替代CdS 缓冲层的热门候选材料。但相较于较好的光学性质，ZnO,S薄膜的载流子浓度较低，电子的传输性较差，从而限制了器件的性能。本文通过模拟仿真的方法对ZnO,S/CZTSe太阳电池进行了探究，并引入In 2S3缓冲层改善ZnO,S层的电学性质，本文的研究内容主要有 1，利用wxAMPS软件模拟了 ZnO,S层中不同的S/SO比值以及不同 ZnO,S层厚度对 ZnO,S/CZTSe太阳电池性能的影响。 2，通过引入In 2S3层提高ZnO,S缓冲层的载流子浓度。模拟了不同ZnO,S缓冲层与CZTSe 吸收层载流子浓度以及残留的In 2S3层的厚度对器件性能的影响。 2.研究结果与讨论 2.1 ZnO,S薄膜中不同S/SO比值的模拟与研究图1 aZnO,S 能带、亲和势随S/SO的变化 b不同S含量的能带匹配图 c 不同S含量的JV 曲线图。图1a给出了不同S 含量下， ZnO,S薄膜带隙和亲和势的变化趋势。由图可知ZnO,S薄膜的带隙、亲和势会随着不同的S/SO比值而变。因此当ZnO,S薄膜中S 含量变化时，ZnO,S缓冲层与CZTSe吸收层之间的能隙匹配也发生变化。图1b和图1c分别给出了不同S含量时ZnO,S 缓冲层与CZTSe吸收层的能带匹配关系和器件的JV曲线图。当S/SO0.2时，缓冲层与吸收层之间的导带失调值（CBO）为负（cliff型），此种情况易在界面处发生复合，影响器件的 Voc。当S/SO0.9时，缓冲层与吸收层之间的能带匹配为spike型，但由于 CBO值过大阻碍了光生电子的输运，从而恶化器件的性能。当S/SO0.7时，CBO值为正且小于0.4eV，此时的器件性能较好。 2.2 不同ZnO,S层厚度的器件性能模拟与研究图2 a 不同载流子浓度下J sc随ZnO,S 厚度的变化b 低载流子浓度5 1017cm-3复合与ZnO,S 厚度的关系 c 高载流子浓度 5 1018cm-3复合与ZnO,S厚度的关系。从图2a可看出，不同ZnO,S层厚度对ZnO,S/CZTSe 器件的影响程度依赖于 ZnO,S层的载流子浓度的高低。当ZnO,S层的载流子浓度较高时，具有较好的光生电子传导性。当ZnO,S 层厚度增加时，在靠近吸收层侧的复合没有增加，ZnO,S/CZTSe器件的J sc也没有明显变化。而当ZnO,S层的载流子浓度较低时，电子传输变差。随着ZnO,S层厚度的增加，在吸收层附近的复合增多，ZnO,S/CZTSe器件的 Jsc不断的恶化。 2.3 不同ZnO,S载流子浓度的器件性能模拟与研究图3（a ）势垒高度随ZnO,S载流子浓度的变化（b）不同ZnO,S和CZTSe 载流子浓度对器件V oc 的影响。图3a模拟了经过退火处理后In 2S3完全扩散进入ZnO,S层，提高了ZnO,S层的载流子浓度且无In 2S3层残留的情况。随着ZnO,S层载流子浓度的提高，ZnO,S/CZTSe界面势垒在降低，器件性能得到大幅提升。随着退火处理的深入，In 2S3也会扩散至CZTSe吸收层中，形成In Sn-替位提高其载流子浓度[2]。图3b给出了不同ZnO,S 与CZTSe载流子浓度对器件V oc的影响。当吸收层载流子浓度变大时器件开压提高。图4（a）In 2S3/ZnO,S/CZTSe电池J sc随In 2S3层厚度的变化 b 不同In 2S3层厚度的器件EQE 图4a给出了ZnO,S载流子浓度提高到5 1018cm-3但有In 2S3层残留时器件性能参数的变化。从图4b可知，随着In 2S3层厚度的增加，大量400-600nm波段的入射光被In 2S3层吸收而无法到达吸收层，短波段QE值随着厚度变化而恶化。因此器件的J sc随着 In2S3层厚度的增加而变小。图5 不同缓冲层条件的JV曲线图。图5给出了无In 2S3层N DZnO,S 5 1017cm-3、引入In 2S3层且经退火处理后完全进入ZnO,S 层N DZnO,S 5 1018cm-3、 NDZnO,S 5 1018cm-3且有 5nm厚In 2S3层的残留时三种情况的JV 关系图。相比于无In 2S3层残留的情况，当有5nm厚In 2S3层残留时器件的性能略有下降但仍高于无In 2S3层的情况。结论通过wxAMPS模拟仿真得到了 ZnO,S/CZTSe器件的最佳S/SO值和ZnO,S厚度值，通过在传统的ZnO,S/CZTSe太阳电池中引入 In2S3层，以提高ZnO,S 缓冲层的载流子浓度。器件的性能得到了改善。当有较厚In 2S3层残留时，器件性能会恶化。因此In 2S3层厚度应尽可能的薄，有少量In 2S3层残留的In 2S3/ZnO,S/CZTSe太阳电池的性能仍高于载流子浓度较低的ZnO,S /CZTSe器件。致谢本工作感谢国家自然基金（项目号51572132, 61674082）；天津市自然科学基金重点项目（项目号16JCZDJC30700）“扬帆计划”引进创新创业团队专项资助（项目编号 2014YT02N037）；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]. Wang W, Winkler M T, Gunawan O, Gokmen T, Todorov T K, Zhu Y and Mitzi D B. Device Characteristics of CZTSSe Thin-Film Solar Cells with 12.6 Efficiency. Adv. Energy Mater. 2013.4 1301465 [2]. Kim J, Hiroi H, Todorov T K, Gunawan O, Kuwahara M, Gokmen T, Nair D, Hopstaken M, Shin B, Lee Y S, Wang W, Sugimoto H, Mitzi D B. High efficiency Cu2ZnSnS,Se4 solar cells by appling a double In2S3/CdS emitter. Adv. Mater. 26, 7427-7431. 作者简介作者姜振武通讯作者张毅主要研究方向化合物半导体薄膜、光伏材料研究；太阳电池器件物理研究。 Emailyizhangnankai.edu.cn 通信地址天津市津南区海河教育园区同砚路38号南开大学盛帆楼。邮政编码300350