10001827_开尔文探针法表征CdTe退火过程中晶界钝化

开尔文探针 法表征 CdTe 退火过程中晶界钝化 王文武 李创 陈钢 张静全 武莉莉 冯良桓 四川大学材料科学与工程学院 在 CdCl2 的环境下退火对多晶 CdTe 太阳电池器件的整体性能提升发挥着重要作用。 Zhang 等过第一性原理计算得出，CdTe 中 Cl 的存在能够有效的钝化晶界，降低缺陷态密度 [1]。但是 由于晶界的尺寸受限，很难对其直接进行分析和表征。 开尔文探针原子力显微镜（KPFM）因其较高的分辨率，以及测试的灵敏性，很适合用来 分析 CdTe 薄膜中的晶界的性质。本文主要采用气相输运法制备多晶 CdTe 薄膜，通过 KPFM 测量晶界处接触势差，探究含 Cl 氛围下退火对晶界处电子学性质的影响，探究钝化机理。 图 1.刚沉积与退火后 CdTe 表面形貌与表面接触势，其中(a) (c)为表面形貌，(b)(d)为接触势。 图 2.刚沉积的 CdTe 薄膜与退火后样品费米能级的位置与测得接触势之间的关系 刚沉积的 CdTe 薄膜有很多细小的晶粒组成（图 1,a） ，退火后 CdTe 薄膜（图 1,c）中晶粒 体积明显增大，且退火有助于晶粒的融合长大。退火以后样品表面的接触势明显增大。图 2 为 刚沉积 CdTe 薄膜与退火后样品费米能级位置之间的关系，退火后样品费米能级位置上升，而 CdTe 为 P 型半导体，考虑非简并状态时半导体中空穴的浓度服从玻尔兹曼分布： 𝑝=𝑁𝑉𝑒𝑥𝑝[(𝐸𝑉‒𝐸𝐹)/𝑘𝐵𝑇] 费米能级提升，就会加大费米能级与价带之间的距离，说明退火后 CdTe 薄膜中载流子浓 度有所降低，有文献报道 Cl 对于 CdTe 为施主杂质[1]，因此其载流子浓度的降低的原因可能是 由于退火过程中 Cl 掺杂而引起的补偿效应。 从表面的电势分布可以明显看出，由于晶界与晶粒之间载流子接触势的差异，在晶界与晶 粒之间通过载流子的迁移达到平衡。图 3 为刚沉积 CdTe 薄膜与退火后样品中选取晶界进行选 区分析，选取的具体位置在图 1 中标出，晶粒之间通过晶界相互连接，在晶界处形成一个向上 弯曲的能带结构，这与 Brooks 的结论一致[2]，从图 3 可以看出退火后晶界处势垒高度明显降 低，晶界对晶粒内部的耗尽明显削弱。由于晶界对 CdTe 晶粒没有产 生耗尽，因此晶界处势垒 的高度主要由晶界处的缺陷态密度决定[3]，因此退火后晶界处势垒高度明显降低，说明退火过 程对晶界处的缺陷态起到了明显的钝化作用，并且晶界对晶粒内部的耗尽降低，降低了晶界对 晶粒内部的影响。 020.4.60.8121.4-145-310-25-10-5 CPD (mV) Distance (um)FWHM：0.7μmeight-21V020.4.60.8121.426572580259025 CPD(mV) Distance (um)FWHM：0.42μmeight-139V 图 3.（a）刚沉积 CdTe 薄膜晶界处势垒分布（b）退火后样品晶界处势垒分布。 采用 KPFM 探究 CdCl2 环境下退火对 CdTe 晶界的影响，研究结果表明合适的退火有助于 在 CdTe 薄膜内部形成均匀的电势分布。在晶界处能带结构服从向上弯曲的模型，退火后晶界 处势垒高度以及晶界对晶粒内部耗尽的宽度明显降低。晶界的钝化，以及晶界对晶粒内部电场 的降低，将会促进载流子在器件内部的纵向输运，这也可能是退火后器件转换效率可以得到大 幅度提升的原因。 参考文献： [1] L. Zhang, J.L. Da Silva, J. Li, Y. Yan, T.A. Gessert, S.H. Wei, Effect of copassivation of Cl and Cu on CdTe grain boundaries, Phys. Rev. Lett., 101 (2008) 155501. [2] W.S.M. Brooks, S.J.C. Irvine, D.M. Taylor, Scanning Kelvin probe measurements on As-doped CdTe solar cells, Semicond. Sci. Technol., 28 (2013) 105024. [3] J.Y.W. Seto, The electrical properties of polycrystalline silicon films, J. Appl. Phys., 46 (1975) 5247-5254. （a） （b）