10001405_CdTe太阳电池前电极及背电极缓冲层能带结构对电池性能的影响

CdTe 太阳电池前电极及背电极缓冲层能带结构对电池性能的影响 李珣，肖迪，李强，王德亮 * （中国科学技术大学，合肥微尺度物质科学国家研究中心，合肥，230026） 摘要：本文研究了前电极及背电极缓冲层能带结构对 CdTe 薄膜太阳电池性能的影响。通过对 比 Al2O3 和 SnO2 两种前电极缓冲层材料我们发现，前电极缓冲层处若形成阻碍电子传输的势垒， 则会导致电池亮态下的电流密度—电压(J–V)曲线在开路电压附近出现扭折现象，降低电池的开 路电压(V OC)和填充因子(FF) 。通过使用 CuI 作为背电极缓冲层材料我们发现，背电极处存在电 子势垒可以减少载流子在背电极处的复合，提高电池的开路电压。 关键词：CdTe；太阳电池；缓冲层；能带结构 1 研究背景与内容 CdTe 薄膜太阳电池作为廉价、高效的太阳电池在近几年得到了很大的发展。CdS/CdTe 薄 膜太阳电池由多层薄膜堆叠而成，其结构为：透明导电氧化物层(TCO)/前电极缓冲层/CdS 窗口 层/CdTe 吸收层 /背电极缓冲层 /金属背电极。各层薄膜间的能带结构会对载流子的输运和电池的 性能产生重要的影响。本文研究了 CdTe 太阳电池前电极及背电极缓冲层材料能带结构对电池 的性能的影响，主要内容有： 1）选取 Al2O3 和 SnO2 作为前电极缓冲层材料研究了前电极能带结构对电池性能的影响。 2）研究了 CuI 作为背电极缓冲层材料对电池性能的影响。 2 研究结果与讨论 2.1 前电极缓冲层能带结构对电池性能的影响 CdS 薄膜作为 CdTe 太阳电池的窗口层已经得到了广泛的应用，但 CdS 窗口层会对波长小 于 520 nm 的太阳光产生强烈的吸收，降低太阳电池的短路电流。减薄 CdS 窗口层的厚度是降 低 CdS 吸收的一种方法。但随着窗口层厚度的降低，电池中出现针孔、不连续等缺陷的概率大 大增加，导致电池开路电压(V OC)和填充因子(FF)的降低[1] 。在透明导电薄膜与 CdS 窗口层之间 加入一层前电极缓冲层是避免 VOC 和 FF 降低的有效方法[2]。本研究选取 Al2O3 和 SnO2 作为前 电极缓冲层材料来研究前电极能带结构对电池性能的影响。图 1 分别展示了由 X 射线光电子能 谱（XPS ）测试数据分析得到的 FTO/Al2O3/CdS 和 FTO/SnO2/CdS 异质结的能带结构[3,4]。结 果表明，Al 2O3/CdS 界面存在 3.43 eV 的导带偏移，而 SnO2/CdS 界面导带偏移量则可以忽略不 计。 图 1 基于 XPS 数据得到的(a) FTO/Al2O3/CdS 和(b) FTO/SnO2/CdS 结构的能带图 图 2 展示了本研究中所用的 CdTe 薄膜太阳电池的结构示意图以及分别使用不同厚度 Al2O3 和 SnO2 薄膜作为前电极缓冲层的 CdTe 太阳电池亮态下的电流密度—电压(J–V)曲线。从 J–V 曲线可以看到，Al 2O3 前电极缓冲层的应用导致了 J–V 曲线在开路电压附近出现了扭折现象 (roll-over behavior)，这是由于 Al2O3/CdS 界面处存在较大的势垒，阻碍了光生电子的传输。作 为对比，SnO 2 缓冲层的应用并未导致 J–V 曲线扭折现象的出现，而是提高了电池的 VOC 和 FF。这是由于 SnO2/CdS 界面几乎不存在势垒，电子可以顺利地通过 SnO2 缓冲层，SnO 2 缓冲层 起到了阻挡漏电通道的作用。 图 2 (a)电池结构示意图；具有不同厚度 Al2O3 (b)和 SnO2 (c)前电极缓冲层的 CdTe 电池亮态 J– V 曲线 2.2 CuI 作为背电极缓冲层材料对电池性能的影响 CdTe 具有较高的功函数，很难直接与金属背电极形成欧姆接触。通过在 CdTe 与金属背电 极之间沉积功函数较高的材料作为背电极缓冲层，可以有效降低背电极处的能带不匹配，形成 较好的欧姆接触[5] 。图 3 展示了由 XPS 测试数据分析得到的 CdTe/CuI 界面处能带结构，可以 看出，CuI/CdTe 界面处价带偏移量为 0.08 eV，空穴可以顺利地通过 CuI 缓冲层传输到背电极。 同时，CuI/CdTe 界面存在一个 1.63 eV 的导带偏移。导带的不匹配在背电极处形成一个电子势 垒，可以阻碍光生电子向背电极处传输，减少载流子在背电极处的复合，从而提高电池的开路 电压[6]。 图 3 基于 XPS 数据得到的 CdTe/CuI 界面的能带结构 图 4 展示了加入了不同厚度 CuI 背电极缓冲层的 CdTe 电池的 J–V 曲线以及电池性能参数。 可以看出，加入 CuI 缓冲层后，电池 J–V 曲线在高偏压处的扭折现象消失（见图 4b） ，电池的 开路电压和填充因子都得到提高。这是由于 CuI 缓冲层与 CdTe 在背电极处形成良好的欧姆接 触，提高了填充因子。同时较大的导带偏移减少了载流子在背电极处的复合，提高了开路电压。 图 4 (a) 具有不同厚度 CuI 背电极缓冲层的 CdTe 电池亮态 J–V 曲线；(b) 具有不同背接触结构 的 CdTe 电池的亮态及暗态 J–V 曲线对比图 3 结论 本文研究了前电极及背电极缓冲层能带结构对 CdTe 薄膜太阳电池性能的影响。我们分别 使用 Al2O3 和 SnO2 薄膜作为前电极缓冲层，通过对比两种缓冲层的能带结构我们发现，前电极 缓冲层处若形成阻碍电子传输的势垒，则会导致电池亮态下的 J–V 曲线在开路电压附近出现扭 折现象，降低电池的开路电压和填充因子。通过使用 CuI 作为背电极缓冲层材料，我们发现， 背电极处存在电子势垒可以减少载流子在背电极处的复合，提高电池的开路电压。 参考文献 [1] Yang R, Wang D, Wan L and Wang D. High-efficiency CdTe thin-film solar cell with a mono- grained CdS window layer[J]. RSC Advances, 2014, 4(42): 22162–22171. [2] Wu X. High-efficiency polycrystalline CdTe thin-film solar cells[J]. Solar Energy, 2004, 77(6): 803-814. [3] Li X, Shen K, Li Q, Deng Y, Zhu P and Wang D. Roll-over behavior in current–voltage curve introduced by an energy barrier at the front contact in thin film CdTe solar cell[J]. Solar Energy, 2018, 165: 27–34. [4] Fritsche J, Kraft D, Thißen A, Mayer T, Klein A and Jaegermann W. Band energy diagram of CdTe thin film solar cells[J]. Thin Solid Films, 2002, 403: 252-257. [5] Paudel N R, Xiao C and Yan Y. CdS/CdTe thin-film solar cells with Cu-free transition metal oxide/Au back contacts[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2015, 23(4): 437-442. [6] Hsiao K J and Sites J R. Electron reflector to enhance photovoltaic efficiency: application to thin- film CdTe solar cells[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2012, 20(4): 486-489. 邮箱：lixun93@mail.ustc.edu.cn