10001787_Zn1-xMgxO(In)能带结构及使用SCAPS仿真其作窗口层

Zn1-xMgxO(In)能带结构及使用 SCAPS 仿真其作窗口层 的 CdTe 薄膜太阳电池 何旭 1， 武莉莉 1*， 张静 1，李春秀 1， 冯良桓 1 1. 四川大学 材料科学与工程学院，成都 610065 摘要：本文基于密度泛函理论下的第一性原理，计算了 In 掺杂 Zn1-xMgxO（ZMO ） （0≤ x≤0.25）合金的能带结构。计算表明：随着 Mg 组分增加, ZMO 化合物的导带底及费米能 级均向真空能级方向移动，带隙增宽。基于理论计算得到 ZMO(In)的能带结构参数，使用 SCAPS 软件对 ZMO(In)作窗口层的 CdTe 薄膜太阳电池的性能进行了仿真模拟，并将研究结果 与 CdS 作窗口层的 CdTe 太阳电池的性能进行了比较。结果表明：Mg 在 ZMO(In)中的含量 0≤x≤0.1875时，ZMO(In)/CdTe 太阳电池具有比 CdS/CdTe 太阳电池更高的开路电压和短路电流 密度；ZMO(In) 的导带底高出 CdTe 导带底约 0.23 eV 时，CdTe 薄膜太阳电池的转换效率最高， 达到 19.63%。计算结果为高效率碲化镉薄膜太阳电池的结构设计和器件制备提供了理论指导。 关键词: ZMO(In) ；能带结构；薄膜太阳电池；转换效率 1.前言： CdTe 太阳电池是高效薄膜太阳电池代表之一 [1-2]，其最大理论转换效率可达 28% - 30%[3-4]。 但近些年来，CdTe 薄膜电池的报道效率大部分在 15% 到 16.5%之间 [5-6]，与其理论转换效率值 相差甚远。其中一个最主要的原因是作为窗口层的 CdS 带隙值仅为 2.4 eV，即波长低于 510 nm 范围内的光子会被 CdS 层吸收掉，意味着短波区的这部分光子不能顺利到达 CdTe 层产生光生 载流子 [7]。为了解决 CdS 窗口层在短波区存在的问题，Takashi Minemoto 等人 [8]提出用 Mg 掺杂 ZnO 生成的化合物 Zn1-xMgxO (ZMO)代替 CdS 用作 CIGS 薄膜太阳电池窗口层。 前期工作中 [9]，我们采用 SCAPS 模拟计算了 ZMO 作为 CdTe 太阳电池窗口层，ZMO/CdTe 电池输出性质。并将研究结果与 CdS/CdTe 太阳电池的性能进行了比较。结果表明：具有宽带 隙的 ZMO 作为窗口层时，提高了短波光子的收集，且通过调节 Mg 在 ZnO 中的掺杂浓度，使 其与 CdTe 界面之间形成合适的导带偏移量，降低了 ZMO/CdTe 界面间的缺陷复合。从而，提 高了 CdTe 电池的转换效率。但实验研究 [10-12]表明：随着 Mg 在 ZnO 中的掺杂浓度的增加， ZMO 的导电率下降明显，从而限制了其实际应用价值。像 ZnO 一样，可以通过对 ZMO 进行 Al、Ga、In 掺杂以提高其电导率 [13-14]。 2.理论模型及计算方法： 作者：何旭，在读博士，凝聚态物理专业，主要从事光电转换物理与材料方面的研究。Email: hexu1225@126.com * 通讯作者：武莉莉，教授、博士生导师，主要从事薄膜太阳电池材料与器件方面的研究。Email: wulili@scu.edu.cn 本文所有计算都基于 ZnO 超晶胞（2×2×2）模型，如图 1 所示。采用 SCAPS 模拟计算 CdTe 太阳电池的模型结构如图 2 所示。对 ZMO(In)结构能带的计算，几何优化法采用了 BFGS 算法。布里渊区求和采用的是 4×4×2 的 Monkhorst-Pack 型 k 点网格，平面波截断能为 480 eV,自 洽场和能带的收敛精度皆设为 1.0×10-6 eV/atom。 Fig 1. In 掺杂 ZMO（2×2×2） 超晶胞模型 Glass substrate SnO2:F (FTO) CdS or ZMO(In) CdTe Back contact Cathode Anode Fig 2. SCAPS 中 CdTe 电池结构图 3.结果讨论： 图 3 给出了本文计算得到的 In 掺杂 ZMO(x=0.0.0625,0.125,0.1875,0.25)的能隙值并与 ZMO 的能隙值作了比较。由图 3 可知， In 掺杂 ZMO 后其带隙值有所减小。分析其原因， 主要是因为 In 的掺入使得 ZMO 的导带底和价带顶同时下降，但是导带底比价带顶下降的 多，这导致了带隙变窄。根据计算所得到 In 掺杂 ZMO 的能带结构参数及 CdTe 的能带结 构参数，我们画出了 ZMO(In)/CdTe 异质结能带结构图，如图 4 所示。ZMO(In)/CdTe 异质 结达到平衡时，由于而知的电子亲和势和功函数不同，在界面连接处导带发生弯曲，形成 了势垒尖峰 ΔEc。ZMO(In) 中随着 Mg 含量的增加，其电子亲和势 χ值不断减小。另外，由 公式 ΔEc=χZMO(In)-χCdTe 可以得到二者导带连接处的具体势垒峰值由 0.27 eV 逐渐减小到-0.26 eV。 0.0.50.10.150.20.25323.4.63.8Bandgp(eV) Mg dopin cetraion(x) Zn1-xMgO(I) Fig 3. ZMO 及 ZMO(In)的带隙值随 x 变化关系曲线 x=0 ΔEc=0.27 eV CdTeCdTe CdTe ZMOIn) ZMO(In) ZMO(In) (a) (b) (c) x=0.0625 ΔEc=0.23 eV x=0.125 ΔEc=0.03 eV x=0.1875 ΔEc=-0.13 eV CdTe ZMO(In) x=0.25 ΔEc=-0.26 eV (d) (e) ZMO(In) CdTe Fig 4. ZMO(In)/CdTe 异质结能带结构 在太阳电池器件中 p-n 结界面处的势垒对载流子的传输和复合有重要影响，薄膜材料中的 电子和空穴越过势垒后在界面处复合。实验结果 [15]表明：ZMO 作为 CIGS 太阳电池的窗口层， 当 ZMO/CIGS 导带底差值为 0.3~0.4 eV 时，界面处的缺陷复合最低，CIGS 电池的转换效率达 到最高。为了研究 ZMO(In)/CdTe 导带底差值为多少电子伏时，CdTe 电池的光电转换效率最高， 本文采用 SCAPS 软件对 ZMO(In)/CdTe 太阳电池的输出特性进行了模拟计算。并将研究结果与 CdS/CdTe 太阳电池的性能进行了比较。计算得到的 ZMO(In)/CdTe 器件的光照 J-V 特性及 EQE 量子转换效率如图 5(a)和(b)所示，具体数值见表 1 所示。 0.0.10.20.30.40.50.60.70.80.951015 202530 30405060708090204060 800Curent Dsity(mA/c) Voltage(V) x=0.625 1x=0.87 25 (a) (b)EQ(%) Wavelngth (m) x=0.625 1x=0.87 25CdS Fig 5. ZMO(In)/CdTe 太阳电池的 (a) J-V 特性和(b) EQE 曲线 Table 1. The performances of ZMO(In)/CdTe solar cells Zn1-xMgxO(In) Performances x=0 x=0.0625 x=0.125 x=0.1875 x=0.25 Voc/mV 866 853 839 837 858 Jsc/mA.cm-2 27.89 28.16 28.29 28.27 27.39 FF(%) 76.22 81.7 78.84 73.17 32.81 η(%) 18.43 19.63 18.72 17.33 7.72 由表 1 中数据可知， ZMO(In)作为 CdTe 薄膜太阳电池窗口层具有比 CdS/CdTe(Jsc=24.34 mA/cm2; Voc=821 mV; FF=75.32%; η=15.06%)更高的转换效率，尤其是当 Mg 的掺杂浓度 x=0.0625 即 ZMO(In)/CdTe 导带连接处的势垒尖峰 ΔEc 约为 0.23 eV 时，ZMO(In)/CdTe 的转换 效率高达 19.63%。 4.结论： CdTe 太阳电池中，窗口层材料的带隙越宽越有利于短波光子的收集。另一方面，窗口 层与层界面之间的导带偏移量对 CdTe 电池的光电转换效率有着重要的影响，合适的导带 偏移量既能降低界面之间的缺陷复合又不影响载流子的运输。模拟计算结果为实验制备高效 率的 CdTe 太阳电池提供了理论指导和优化方向。 参考文献 [1] Cruz L R, Pinheiro W, Medeiro R A, Ferreira C L, Dhere R G and Duenow J N. Influence of heat treatment and back contact processing on the performance of CdS/CdTe thin film solar cells produced in a CSS in-line system[J]. Vacuum, 2013 ,87: 45-49. [2] Kephart J M, Geisthardt R M, Sampath and Sampath W S. 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