10001591_宽带隙CdSO窗口层在Sb2Se3薄膜太阳电池中的应用

宽带隙 CdS:O 窗口层在 Sb2Se3 薄膜太阳电池中的应用 欧炽柱，沈凯，黄泰郎，麦耀华 （暨南大学，新能源技术研究院，510632） 摘 要： 本文采用射频磁控溅射法在氧气和氩气的混合气氛下制备掺氧 CdS 薄膜(CdS:O)，研究 了不同的氧掺杂对其光学特性的影响。通过优化氧掺杂比例，将 CdS:O 薄膜作为窗口层应用于 制备顶衬的 CdS:O/Sb2Se3 异质结太阳电池，实现了 6.3% 的光电转换效率。同时，研究发现在 掺氧气氛下溅射的 CdS:O 薄膜可以有效钝化界面缺陷，显著改善 CdS:O/ Sb2Se3 异质结质量， 提高器件的开路电压、短路电流密度和光电转换性能。 关键词：CdS:O；磁控溅射；Sb 2Se3；太阳电池 1 研究背景与内容 近年来，硒化锑(Sb 2Se3)由于其合适的带隙(约 1.1eV)、足够大的吸收系数(10 5 cm-1)、低毒 性、低成本和地壳丰度高等特点而成为一种十分有前景的光伏材料[1]。硫化镉(CdS)是 Sb2Se3 太阳电池中最常用的 n 型窗口层。然而，由于 CdS 具有约 2.4eV 的带隙，其在短波段区域中会 造成大量的吸收，从而减小太阳电池的短路电流密度[2-3]。此外，传统的 CdS 一般采用化学水 浴沉积(CBD)法来制备，这样会造成原料的浪费，产生大量的有害废弃物，并且也不利于工业 化生产和后续的 Sb2Se3 真空沉积工艺。 本文采用射频磁控溅射技术在氧气和氩气的混合气氛下制备 CdS:O 薄膜，研究不同的氧气 和氩气的流量比例对 CdS:O 薄膜光学特性的影响，并将 CdS:O 薄膜应用于制备顶衬的 CdS:O/ Sb2Se3 异质结太阳电池，研究对其器件性能的影响。 2 研究结果与讨论 2.1 CdS:O 薄膜的光学特性 图 1 不同 O2/Ar 比例(0%-4%)下制备的 CdS:O 薄膜的透射光谱，内嵌图是 CdS:O 薄膜的 – 关系图 (𝛼ℎ𝑣)2 ℎ𝑣 图 1 给出了在不同的氧气和氩气流量比例的条件下制备的 CdS:O 薄膜在 300nm-1100nm 光 谱范围内的透射谱。从图中可以发现，随着 O2/Ar 比例的增大，可以观察到吸收边缘的连续蓝 移，表明 CdS:O 薄膜在短波段区域的吸收逐渐减少了。内嵌图给出了 CdS:O 薄膜吸收光谱的 - 曲线，通过将线性区域外推到 x 轴上，可以得出 0%，1% ，2%，3% 和 4%的 O2/Ar (𝛼ℎ𝑣)2 ℎ𝑣 比例的 CdS:O 薄膜的能量带隙为 2.37 eV，2.45 eV，2.52 eV，2.64eV 和 3.11eV。因此，可以看 出随着 O2/Ar 比例的增大，CdS:O 薄膜的能量带隙将逐渐变大，由此可以制备得到宽带隙的 CdS:O 薄膜应用于 Sb2Se3 太阳电池来提升器件的性能。 2.2 CdS:O 薄膜对电池性能的影响 图 2 不同 O2/Ar 比例的 CdS:O 薄膜制备的器件 (a) J-V 曲线图 (b) EQE 对比图 表 1 不同 O2/Ar 比例的 CdS:O 薄膜制备的器件输出特性 O2/Ar Jsc/mA cm-2 Voc/mV FF/% Eff/% 0% 21.99 359 51.85 4.10 1% 26.04 384 57.51 5.76 2% 27.21 394 58.67 6.30 3% 27.29 394 56.91 6.13 4% 26.07 400 57.08 5.94 图 2 (a) 给出了 0%-4% O2/Ar 的 CdS:O 薄膜制备的顶衬 CdS:O/ Sb2Se3 异质结太阳电池的 J- V 曲线图，结合表 1 给出的详细的器件输出特性，可以发现在纯氩气氛下溅射得到的 CdS 的器 件性能较差，而掺入氧后溅射得到的 CdS:O 的器件的开路电压和填充因子等输出特性都得到了 显著性的提升。图 2 (b) 给出了相应器件的 EQE 对比图，可以发现随着 O2/Ar 比例的增大，短 波段区域电流的收集得到了较大的改善，对应于器件的短路电流密度的提高，这也和不同 O2/Ar 比例的 CdS:O 薄膜所显示的透射图谱结果相符合。同时可以发现 0% O2/Ar 的薄膜的器件 在中间波段的 EQE 值都比较小，表明其存在较严重的界面复合，减少了空间电荷区载流子的收 集，进一步减小了短路电流密度。此外，从表 1 可以看出，2% O2/Ar 的 CdS:O 薄膜制备的器件 性能最好，实现了 6.3% 的光电转换效率。 图 3 不同 O2/Ar 比例的 CdS:O 薄膜制备的器件 (a)暗态 J-V 曲线图 (b) 串并联电阻示意图 (c) 二极管理想因子和反向 饱和电流密度示意图 图 3 (a) 给出了 0%-4% O2/Ar 的 CdS:O 薄膜用作窗口层制备的 Sb2Se3 太阳电池暗态 J-V 曲 线，可以发现随着 O2/Ar 比例的增大，相应器件的暗态反向漏电流逐渐减小，表明相应的 pn 结 质量逐渐提高。通过对暗态 J-V 曲线进行相应的拟合及计算可以得到图 3 (b) 中的相应器件的 串并联电阻示意图和图 3 (c) 中的二极管理想因子和反向饱和电流密度示意图。从图 3 (b) 中可 以看出相对于纯氩气氛下溅射的 CdS 制备的器件，在氧气和氩气的混合气氛下溅射的 CdS:O 制 备的器件的串联电阻都比较小，且并联电阻也要大得多，由此解释了 1%-4% O2/Ar 的器件比 0% O2/Ar 的器件的填充因子都要更大的原因。一般认为，异质结太阳电池的 Voc 与界面缺陷的密 度有很强的相关性，而界面缺陷正是通过促进界面复合来增加 J0。从图 3 (c) 中可以看出相对 于 0% O2/Ar 的器件，高于 0% O2/Ar 的器件的 J0 都要更小，表明其界面复合要更少，界面缺陷 得到了钝化，由此解释了其开路电压普遍要更高的原因[4]。 3 结论 本文通过射频磁控溅射工艺在不同 O2/Ar 比例的气氛下制备了 CdS:O 薄膜，研究了其光学 特性，并将其作为窗口层应用于顶衬 CdS:O/ Sb2Se3 异质结太阳电池中，以达到通过增大窗口层 的能量带隙来减少吸收损失的目的。相对于纯氩气氛下溅射的 CdS 薄膜制备的器件，掺氧气氛 下溅射的 CdS:O 薄膜制备的器件的 J-V 曲线和 EQE 响应均得到较好的改善，并实现了 6.3% 的 光电转换效率，证实了 CdS:O 薄膜可以有效钝化界面缺陷，减少界面复合，显著改善 CdS:O/ Sb2Se3 异质结质量，从而提高器件的性能。 参考文献 [1] Wen X, He Y, Chen C, etc. Magnetron sputtered ZnO buffer layer for Sb2Se3 thin film solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells [J], 2017, 172: 74-81. [2] Kephart JM, Geisthardt RM, and Sampath WS. Optimization of CdTe thin-film solar cell efficiency using a sputtered, oxygenated CdS window layer. Prog. Photovolt: Res. Appl. [J], 2015, 23: 1484-1492. [3] Gupta A, Allada K, Lee SH, Compaan AD. Oxygenated CdS window layer for sputtered CdS/CdTe solar cells. In Materials Research Society Symposium Proceedings [J], 2003, 763: 341-346. [4] Liu X, Chen C, Wang L, etc. Improving the performance of Sb2Se3 thin film solar cells over 4% by controlled addition of oxygen during film deposition. Prog. Photovolt: Res. Appl. [J], 2015, 23: 1828-1836. 通讯作者：麦耀华；研究方向：新能源材料与器件；邮箱：yaohuamai@jnu.edu.cn