10001776_Sb2Te3薄膜性质研究及其在CdTe太阳电池中的应用

Sb2Te3薄膜性质研究及其在 CdTe 太阳电池中的应用 刘吉洋 1，刘晓兰 1，黎兵 1*，张静全 1，曾广根 1，李卫 1，武莉莉 1，冯良桓 1 1四川大学材料科学与工程学院 *通讯作者, 新能源材料与器件, E-mail libing70126.com 摘要 一个低电阻和能形成稳定欧姆接触的背接触对 CdTe 太阳电池的商业应用至关重要。目前， 大多数的高效率 CdTe 太阳电池均采用含 Cu 材料或 Cu 金属薄膜作为获得低阻背接触必不可少 的材料，可是，由于 Cu 沿着晶界扩散至结内形成复合中心和导电通道，从而导致以这种材料 作为背接触的 CdTe 太阳电池稳定性下降。 Sb2Te3 已受到关注作为背接触材料，其功函数可高 达∼ 5.8 eV，理论上在 Sb2Te3 薄膜和 P 型 CdTe 之间能形成一个欧姆接触。并且 Sb2Te3 薄膜易 于制备，可通过许多方法制备得到，例如溅射，电沉积和共蒸发等。 在实验中，使用脉冲激光沉积法在不同衬底温度下制备得到 Sb2Te3 薄膜，通过不同的表征 手段对其薄膜性质进行表征，然后将其应用到 CdTe 太阳电池，将制备得到器件性能最好的有 Sb2Te3 作为背接触与无背接触的 CdTe 电池作详细对比。Hall 测试表明 Sb2Te3 薄膜呈现强 P 型 半导体特征，伴随高的 Hall 迁移率和载流子浓度。 EQE 测试结果显示，相比于无背接触，以 Sb2Te3 薄膜作为背接触的 CdTe 太阳电池的量子效率在整个吸收波段都获得了增强。我们发现 一个 30nm 的 Sb2Te3 薄膜的嵌入显著提升了电池的器件性能。 XRD 结果显示 PLD 制备的 Sb2Te3 薄膜属于三方晶系，室温下为非晶相，100℃和 200℃时 为 Sb，Te 的合金相。随着温度上升到 300℃，薄膜开始结晶， 400℃是薄膜结晶性增强，可是， 随温度升高达到 500℃时薄膜结晶性变差。从 XRD 结果可以看出，各个温度下的结晶薄膜里都 存在一定的 Sb 相，但是峰很弱，量相当少。 Sb2Te3 薄膜的 SEM 图显示，300 ℃时沉积的 Sb2Te3 薄膜晶粒比较小，随着衬底温度上升到 400℃，晶粒变大并且变得紧密，同时棱角分明，没有裂缝和针孔，晶粒大小约为 200nm- 400nm，与 XRD 结果对应的很好，不同尺寸晶粒对应着不同衍射峰。随着衬底温度上升到 500℃，晶粒的平均尺寸变小，棱角消失变得圆滑，并且可以观察到晶粒互溶现象。 表 1 为 Sb2Te3 薄膜的 Hall 测试结果。 Hall 测试结果显示 Sb2Te3 多数载流子为空穴，为强 P 型半导体，Hall 迁移率随衬底温度升高而升高，在 400℃时有最大载流子浓度 1.9191019cm- 3，从 300℃到 400℃载流子浓度和迁移率的升高可能是由于薄膜结晶性的改善，然而当衬底温 度从 400℃升到 500℃时，Hall 迁移率上升而载流子浓度下降，可能是由于从 SEM 图谱中可以观 察到的晶界密度的变化，400℃时薄膜中存许多琐碎较小的晶粒，导致晶界密度增加，晶界处的 原子作为载流子源并且散射载流子，所以导致较高的载流子浓度和相对较低的 Hall 迁移率。 表 1. Sb2Te3薄膜的方阻，Hall 迁移率和载流子浓度 Sample-Substrate temperature TS/℃ Square resistance Ω/Sqr Hall mobility cm2/ Vs Carrier concentration 1019cm-3 Sb2Te3-300 33.7 47.4 4.765 Sb2Te3-400 9.6 71.8 19.19 Sb2Te3-500 12.7 112.2 9.813 Sb2Te3 厚度为 30nm 的 CdTe 电池在不同沉积温度下被制备，电池效率如图 1 所示。可以看 到，当 Sb2Te3 沉积温度从 300℃升到 400℃时，填充，开压和短路电流密度都有所提升，很有 可能是由于 Sb2Te3 的结晶性改善所致，结晶性较低导致较高的缺陷密度从而较低的载流子迁移 率，限制空穴输运，导致电池性能下降。随着衬底温度上升到 500℃，J sc 有所下降了，V oc 和 FF 有轻微的下降。最优的 Sb2Te3 沉积温度发现为 400℃。图 2 外量子效率EQE 显示加入 Sb2Te3 后，在整个波段都得到了一定的提升，表明了 Sb2Te3 的加入对载流子输运的一个改善。 图 1. Sb2Te3 沉积温度从 300℃到 500℃的 CdTe 电池 I-V 曲线。Sb 2Te3 厚度为 30nm。 图 2. 有背接触和无背接触的 CdTe 电池的外量子效率图谱。 关键词Sb 2Te3 薄膜，脉冲激光沉积，衬底温度， CdTe 太阳电池 参考文献 [1] B. Li, J. Liu, G. Xu, R. Lu, L. Feng, J. Wu, Development of pulsed laser deposition for CdS/CdTe thin film solar cells, Appl. Phys. Lett. 101 2012 153903. [2] J.T. Cheung, H. Sankur, Growth of thin films by laser-induced evaporation, Crc Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 15 1988 63–109. [3] P.R. Willmott, J.R. Huber, Pulsed laser vaporization and deposition, Rev. Mod. Phys. 72 2000 315.