10000936_采用SCAPS模拟分析KF-PDT对CIGS薄膜太阳电池器件性能的影响

采用 SCAPS 模拟分析 KF-PDT 对 CIGS 薄膜太阳电池器件性能的影响 程世清，张运祥，史思涵，何志超，刘玮 *，孙云 * （天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室 南开大学电子信息与光学工程学院 天津 300350） 摘要 ：本文采用 SCAPS 模拟软件，对 KF-PDT 后引起吸收层特性改变的主要的四个方面进行 模拟，研究限制 KF-PDT 器件性能提升的潜在因素。结果显示：限制 KF-PDT 器件性能提升的 主要因素是 Jsc 及 FF 的降低。而增加吸收层表面 CdCu+的浓度及降低界面缺陷态密度都有助于 增加 Jsc 和 FF，从而提升器件的效率 η。同时模拟发现，KF-PDT 对导带失调值 ΔAB≥0eV的器 件性能提升明显，而对 ΔAB≤0eV的器件性能提升较弱。因此如何合理的控制吸收层表面 CdCu+ 的浓度及 Ga 含量是决定器件性能提升的关键因素。以上我们的模拟对探索 KF-PDT 提升器件 性能方面有一定的指导意义。 关键词：太阳电池，铜铟镓硒，氟化钾后处理，表面化合物，带隙失调 1、研究背景与内容 KF 的后处理（KF-PDT ）使得 CIGS 电池的世界记录在近年来得到了连续的刷新，最高效率达 到 22.3%。大量研究小组对 KF-PDT 提高 CIGS 电池性能的机制进行了研究，发现 KF-PDT 在 提升器件的 Voc 方面有很好的促进作用，但是对 Jsc 及 FF 有不同的结果。本文采用 SCAPS 模 拟软件对 KF-PDT 后引起吸收层特性改变的主要的四个方面进行模拟，研究限制 KF-PDT 器件 性能提升的主要因素。本文的主要内容： （1）模拟吸收层内载流子浓度的增加对器件性能的影响 （2）模拟在载流子浓度增加的基础上表面带隙的扩宽对器件性能的影响 （3）模拟在载流子浓度增加及表面带隙扩宽的基础上，吸收层前表面 CdCu+的浓度对器件性能 的影响 （4）模拟界面缺陷态密度的降低对器件性能的影响 通过以上四个方面的模拟，研究限制 KF-PDT 器件性能提升的主要因素及给出如何解决以上问 题的方法。 2、研究结果与讨论 2.1 载流子浓度的增加对器件性能的影响 发现随着载流子浓度的增加器件效率 η增加，这主要是由于载流子浓度的增加使异质结内 建电场 Vbi 增加造成的。 2.2 吸收层表面带隙扩宽对器件性能的影响 在 2.1 载流子浓度增加的基础上，扩宽吸收层表面的带隙，发现当 ΔAB≥0eV，表面带隙扩 宽使器件的 Voc 提升，但是器件效率 η下降。限制器件效率 η提升的主要因素是由于 KF-PDT 引起吸收层/缓冲层表面较高的电子势垒导致 Jsc 及 FF 的下降。 2.3、Cd Cu+的浓度对器件效率的影响 图 1、在载流子浓度增加(3×10 15cm-3）及表面带隙扩宽（2.52eV）的情况下，不同导带失调 ΔAB的器件的 性能，随着吸收层前表面 CdCu+浓度从 2×1016cm-3~8×1016cm-3 的变化所对应的器件的 Voc，Jsc，FF 和 Eff 的变化情况。W-No-CdCu 代表表面带隙扩宽且无 CdCu+,W-CdCu(2E16~8E16)代表表面带隙扩宽且含有 CdCu+，No-PDT 代表无 KF-PDT。 图 2、为最大功率点 Mpp 时的能带图(a)ΔAB=0.3eV 时不同的 CdCu+浓度的能带图.(b)ΔAB=-0.3eV 时不同的 CdCu+浓度的能带图。No-PDT(black line)代表无 KF-PDT 之前,W-No-CdCu（red line）代表 KF-PDT 后表面 无 CdCu,W-CdCu-2E16（blue line ）代表 KF-PDT 后前表面 CdCu 浓度为 1×1016cm-3，W-CdCu- 8E16（blue line ）代表 KF-PDT 后前表面 CdCu 浓度为 1×1016cm-3。 如（图 1.a-b)所示，在表面带隙扩宽的基础上，增加吸收层前表面 CdCu+的浓度，发现当 ΔAB≥0eV时器件的 Jsc 及 FF 会有所增加，这主要是因为（如图 2.a）所示由 KF-PDT 引起的缓 冲层/吸收层界面的电子势垒 qΦbn 随着吸收层前表面 CdCu+浓度的增加而下降，因此有助于 Jsc 及 FF 的提升，有益于器件效率 η提升。而对于 ΔAB≤0eV，器件的 Jsc 及 FF 随 CdCu+浓度的增 加有所提升，但是仍然低于 No-PDT 的样品，这主要是由于（如图 2.b)所示吸收层表面 CdCu+浓 度的增加无法消除由 KF-PDT 引起的吸收层/缓冲层界面的电子势垒，同时由于 CdCu+为施主型 缺陷，其浓度的增加会引起吸收层内及界面复合的增加，对 Voc 也有降低的作用，因此对于 ΔAB≤0eV而言，无法提高其器件的效率。 2.4 界面缺陷态密度的变化对器件性能的影响 界面缺陷态密度的降低同 2.3 CdCu+浓度的作用效果类似。都是可以降低吸收层 /缓冲层的电 子势垒及增加空穴势垒，提升器件的 FF。 2.5 总结 本文采用 SCAPS 模拟软件，对 KF-PDT 后引起吸收层特性改变的主要的四个方面进行模 拟，研究限制 KF-PDT 器件性能提升的潜在因素。结果显示：限制 KF-PDT 器件性能提升的主 要因素是 Jsc 及 FF 的降低。而 Jsc 及 FF 的增加，可以通过而增加吸收层表面 CdCu+的浓度及钝 化吸收层表面降低界面缺陷态密度来实现。同时吸收层表面 Ga 含量应控制在使导带失调 ΔAB≥0eV的范围内。以上我们的模拟及分析对探索 KF-PDT 提升器件性能方面有一定的指导意 义。 致谢 本工作感谢国家自然基金（项目号：61774089, 61504067）；“扬帆计划”引进创新创业团队 专项资助（项目编号：2014YT02N037）；“广东省科技计划产学研项目( 项目编号： 2015B090901027)”；天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室支持。 参考文献： [1] B. Umsur, W. Calvet, A. Steigert, I. Lauermann, M. Gorgoi, K. Prietzel, D. Greiner, C.A. Kaufmann, T. Unold, M. Lux-Steiner, Investigation of the potassium fluoride post deposition treatment on the CIGSe/CdS interface using hard X-ray photoemission spectroscopy - a comparative study, Physical chemistry chemical physics : PCCP, 18 (2016) 14129-14138. [2] A. Chirila, P. Reinhard, F. Pianezzi, P. Bloesch, A.R. Uhl, C. Fella, L. Kranz, D. Keller, C. Gretener, H. Hagendorfer, D. Jaeger, R. Erni, S. Nishiwaki, S. Buecheler, A.N. Tiwari, Potassium-induced surface modification of Cu(In,Ga)Se2 thin films for high-efficiency solar cells, Nature materials, 12 (2013) 1107-1111. [3] C.-H. Hsu, W.-H. Ho, S.-Y. Wei, C.-H. Lai, Over 14% Efficiency of Directly Sputtered Cu(In,Ga)Se2 Absorbers without Postselenization by Post-Treatment of Alkali Metals, Advanced Energy Materials, 7 (2017) 1602571. [4] P. Jackson, R. Wuerz, D. Hariskos, E. Lotter, W. Witte, M. Powalla, Effects of heavy alkali elementsin Cu(In,Ga)Se-2 solar cells with efficiencies up to 22.6%, Phys Status Solidi-R, 10 (2016) 583-586. 作者简介： 姓名：程世清 通讯作者：刘玮，孙云 主要研究方向：碱金属掺杂对 CIGS 太阳电池器件性能的影响 Emial:wwl@nankai.edu.cn，suny@nankai.edu.cn 通讯地址：南开大学光电子所