10000887_溅射制备双层Zn(O,S)缓冲层及Zn(O,S)CIGS器件性能研究-solarbe文库

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溅射制备双层 ZnO,S缓冲层及ZnO,S/CIGS器件性能研究史思涵，范玉，林舒平，刘杨，程世清，张运祥，何志超，周志强，刘芳芳，孙云, 刘玮 * 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 摘要利用溅射法制备ZnO,S薄膜代替CdS作为CuIn,GaSe 2太阳电池的缓冲层，可以提高电池的短波响应，且适用真空连续化产业生产。本文通过调整溅射工艺制备双层ZnO,S薄膜，利用高气压低功率制备薄膜减小了对CIGS吸收层表面的溅射损伤，减小了界面缺陷，同时降低了界面势垒，减小了界面复合；低气压高功率下制备薄膜消除杂相，提高了薄膜的电学性能，降低缓冲层内部及空间电荷区复合，提高器件性能。关键词CuIn,GaSe 2薄膜、ZnO,S 缓冲层、wxAMPS 仿真 1.研究背景与内容 CuIn,GaSe2薄膜电池已经达到22.9 的效率[1]，通常利用化学水浴法制备CdS薄膜作为 CIGS电池的缓冲层。但由于 CdS带隙较窄，同时部分国家限制Cd 元素的使用，射频磁控溅射宽带隙的ZnO,S薄膜成为代替CdS作为CIGS 电池缓冲层的一种潜力材料，至今 RF-ZnO,S/CIGS 太阳电池的世界最高效率已达到18.3[2]。制备ZnO,S薄膜可以通过调节溅射功率、溅射气压、衬底温度等条件来改变薄膜及CIGS/ZnO,S界面特性，因此本文的研究内容主要有 1，在三种条件下制备同种厚度的ZnO,S薄膜，研究其光学特性、结构特性及表面形貌，同时制备相应的CIGS 电池cell1 、 cell2、cell3和CdS 参考电池cell4。Cell1为低功率高气压制备单缓冲层ZnO,S-1/CIGS异质结器件；Cell2为高功率低气压制备单缓冲层ZnO,S-2/CIGS异质结器件；Cell3为双缓冲层ZnO,S-2/ZnO,S-1/CIGS异质结器件； Cell4为CBD-CdS/CIGS参照电池。 2，通过wxAMPS软件仿真三种器件的能带结构及内部电场分布，并对器件进行QE,CV,JV-T 测试，分析其载流子输运及内部复合机制。 2.研究结果与讨论 2.1 ZnO,S薄膜光学特性及结构特性图1 玻璃衬底上溅射制备50 nm缓冲层材料 a透反射谱线b 光学带隙图c300 nm-ZnO,S厚度GIXRD谱。三个条件下制备的薄膜的长波段的透射率都在80左右，光学带隙基本为 3.93 eV，低功率高气压条件下ZnO,S光学带隙最小，这主要是由于制备ZnO,S材料S/Zn较低（约为 0.35）的缘故。由图c可以看出ZnO,S-1 的结晶性能较差，近似为微晶或非晶材料，这主要是由于较低的溅射能量交换以及较高的散射导致沉积到衬底上原子能量不足所致。而ZnO,S-2膜层的结晶性能明显改善，这有助于减小材料体内可能产生的载流子陷阱缺陷。 2，CIGS/RF-ZnO,S器件表征图2（a-c）不同工艺条件下CIGS/RF-ZnO,S 表面形貌。a ZnO,S-1/CIGS；b ZnO,S-2/CIGS； c ZnO,S-2/ZnO,S-1/CIGS;d-f CIGS/RF-ZnO,S器件断面形貌，工艺与上下相对应。图2a由于低功率下原子能量较低，横向迁移较弱，因此在吸收层表面存在晶粒团簇，容易在界面形成缺陷。图b为高功率低气压下制备的，表面变得平滑。图c可以看到双层ZnO,S薄膜对吸收层表面覆盖同样完整，减小了界面缺陷的产生。 3，能带结构和电场分布图3（a ）ZnO,S-1/CIGS（b） ZnO,S-2/CIGS（c）ZnO,S-2/ZnO,S-1/CIGS单双缓冲层器件施加偏压下的能带结构图。 Cell1电池可以看出在外加偏压下能带弯曲很弱，严重影响光电流的收集。Cell2 器件在CIGS /ZnO,SAB界面的CBO值比较大，影响载流子的输运。Cell3可以看到AB界面的CBO 降低，同时增大的能带弯曲也能够保证光生电子的输运和分离，得到较高的器件短路电流密度Jsc。图4 不同工艺条件下Buffer/Absorber异质结器件（a ）仿真得到的内部电场分布 b 亮态JV曲线 Cell1电池缓冲层体区及吸收层体区的场强较小，界面复合较严重。Cell2 电池空间电荷区场强增强，但缓冲层体区场强有所下降，造成缓冲层体区复合严重，因此Cell1和cell2电池存在严重的JV 扭曲现象造成FF的下降，而cell3器件性能则明显好转，这主要由于双层器件 AB界面以及缓冲层体区电学性能的改善，由此器件内部场强分布明显提高。图5 Cell1Cell4电池的载流子分布以及 0偏压条件下耗尽区宽度随缓冲层工艺的变化。图5中Cell4电池的耗尽区宽度约为 350 nm，Cell1-3的耗尽区宽度均大于 500 nm，这说明溅射制备的ZnO,S 掺杂浓度明显高于CdS掺杂浓度，这有益于提高器件开压，减小 AB界面二级势垒。Cell1电池的耗尽区宽度略小于 Cell2，这主要是由于Cell1缓冲层掺杂浓度较低所致。Cell3 的耗尽区宽度达到了约800 nm，这主要是由于在提高了缓冲层掺杂浓度的同时，减小了界面处可能由于溅射工艺引入的陷阱缺陷态，从而使得耗尽区宽度展宽，器件性能改善。结论采用溅射法制备双层ZnO,S缓冲层，高气压低功率制备ZnO,S薄膜可以优化CIGS/ZnO,S 界面性能，减小界面缺陷。低气压高功率制备ZnO,S可以改善薄膜的电学性能，减小 CIGS/ZnO,S界面势垒，因此双层缓冲层可以有效减小空间电荷区复合，改善器件性能。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]. http//www.solar-frontier.com/eng/news/2017/1220_press.html [2]. Klenk R, Steigert A, Rissom T, et al. Junction formation by ZnO,S sputtering yields CIGSe-based cells with efficiencies exceeding 18[J]. Progress in Photovoltaics Research Applications, 2014, 222161– 165. 作者简介作者史思涵通讯作者刘玮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。 Emailwwlnankai.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