10000888_MoOX背界面层对低温制备的超薄CIGS太阳电池背部能带结构的影响

MoOX 背界面层对低温制备的超薄 CIGS 太阳电池背部能带结 构的影响 何志超，刘杨，史思涵，张运祥，程世清，周志强，何青，刘芳芳，孙云，刘玮 *， 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：本文采用高功函的金属氧化物 MoOx 作为低温制备的超薄 CIGS 太阳电池的背界面层， 采用 wxAMPS 仿真软件模拟了器件的背部能带结构。研究结果表明，适当厚度的 MoOx 背界面 层可以调整低温制备的超薄 CIGS 太阳电池的背部能带结构，降低背部势垒，减少背部复合， 提高器件性能。MoO x 厚度为 10 nm，低温制备的 CIGS 吸收层厚度为 0.5 μm.时，器件效率可达 到 10.38 %。 关键词：MoO x、能带结构、背部复合、超薄 CIGS、低温制备 1.研究背景与内容 为了加快 CIGS 太阳电池的工业化生产，增强其市场竞争力，在不严重损害器件效率的前提 下降低生产成本是当下研究的热点问题。减薄 CIGS 吸收层的厚度以及降低 CIGS 吸收层的沉 积温度都可以有效降低生产成本，但在一定程度上也会降低 CIGS 太阳电池的器件转换效率。 低温工艺中，CIGS 吸收层和金属 Mo 基底之间没有 MoSe2 生成，二者之间是肖特基接触，背 界面处存在较大的势垒，背部复合严重 1。本文通过在 CIGS 吸收层和 Mo 背电极之间插入一层 MoOx 薄膜，实现调整器件背部能带结构，降低背部复合，提高器件性能的目的。 2.研究结果与讨论 2.1 Mo 衬底对 MoOX 材料特性的影响 MoOX 薄膜是沉积于金属 Mo 上的，而金属 Mo 会对 MoOX 产生一些影响，为了进一步探究 金属 Mo 对 MoOX 的影响，我们分别在硅酸盐玻璃及金属 Mo 上沉积了厚度为 5 nm 的 MoOx 薄 膜并对其进行退火处理，退火温度为 450 ℃（该退火温度和 CIGS 吸收层的沉积温度一致） ，上 述样品的 XPS 测试结果如图 2.1 所示。 图 2.1 (a)SLG/MoOx 样品及(b)SLG/Mo/MoO x 样品中 Mo3d 的 XPS 测试结果 从图中可以看出 SLG/MoOX 样品中存在低价态的 Mo 离子，这很可能与退火导致的氧原子 流失有关。而从图 2.1(b)中可以发现，沉积于 Mo 上的 MoOx 薄膜内主要成分不再是 MoO3，而 是变成了 MoOX(2x3)。与图 2.1(a)对比发现，MoO 3 的含量明显降低。据文献报道，金属 Mo 和 MoO3 接触后，二者界面处会发生氧化还原反应，此外，金属 Mo 费米能级中的电子向 MoO3 中的最底层导带移动也会造成上述 Mo 离子价态的变化 2。 2.2 MoOX 的厚度对其材料特性的影响 通过上述 XPS 测试分析我们知道，金属 Mo 确实会对 MoOX 产生影响，但是这种影响实际 上仅仅存在于界面附近，所以为了进一步研究金属 Mo 对 MoOX 功函数的影响，我们分别在金 属 Mo 上制备厚度为 5 nm,10 nm 以及 15 nm 的 MoOX 薄膜并分别对其进行 UPS 测试，测试结 果如图 2.2 所示。 图 2.2 沉积在 Mo 基底上的不同厚度的 MoOx 薄膜的功函数（a）5 nm （b）10 nm（c）15 nm 从图中可以发现，MoO X 薄膜的功函数与其厚度密切相关，随着厚度的增加，薄膜的功函 数在不断增大，MoO X 薄膜厚度从 5 nm 增大到 15 nm 时，其功函数从 5.83 eV 增大到 6.25 eV。 这主要是由于金属 Mo 和 MoOx 薄膜二者之间相互影响造成的，随着 MoOx 薄膜厚度的增加， 该影响逐渐减弱，MoO x 薄膜的功函数逐渐接近 MoO3 材料的功函数 3。 2.3 器件背部能带结构的研究 采用 wxAMPS 仿真软件分别对 MoOx 背界面层厚度为 0 nm、5 nm、10 nm 和 15 nm 的器件 进行仿真。仿真结果如图 2.3 所示。从图 2.3(a)可以看出，当 MoOx 厚度为 0 nm 时，金属 Mo 基底和 CIGS 吸收层之间是肖特基接触,这和文献报道的结论一致 4。随着 MoOx 厚度的增加， 金属 Mo 基底和 CIGS 吸收层之间的能带会由向下弯曲变为向上弯曲且弯曲程度会越来越明显， 这主要是由于 MoOx 薄膜功函数增大导致 MoOx 和 CIGS 二者的费米能级差增大造成的。但是不 论 MoOx 背界面层的厚度如何变化，金属 Mo 和 MoOx 背界面层之间的接触始终是肖特基接触， 并且对载流子传输而言，CIGS 吸收层和 MoOx 背界面层之间都存在着势垒。随着 MoOx 背界面 层厚度的增加，MoOx 薄膜和 CIGS 之间的价带失调值增大，势垒高度也逐渐增大（φ 1φ 2） 。 由于上述势垒的存在，MoO x 背界面层的厚度需尽可能的薄，这样空穴可以依靠隧穿模型进行 输运，器件性能不会受到严重的影响。 图 2.3 wxAMPS 仿真软件模拟的（ a）Mo/ CIGS （b）Mo/MoO x（5 nm ）/CIGS （c ）Mo/MoO x（10 nm）/CIGS（d） Mo/MoOx（15 nm）/CIGS 器件背部能带结构示意图 为了得到最合适的 MoOx 厚度，我们采用文献介绍的理论模型拟合串阻，可以得到不同厚 度的 MoOx 薄膜作为背界面层的背部势垒高度 5。如图 2.4(a)所示，器件的背部势垒高度分别为 43.83 meV、21.99 meV、15.98 meV 和 29.17 meV，表明 MoOx 的存在可以改善低温制备的超薄 CIGS 太阳电池的背部能带结构，但过厚的 MoOx 薄膜反而会增加器件的背部势垒高度，降低器 件性能。MoO x 厚度为 10 nm 的时候，器件的背部势垒高度最低。低温制备的 CIGS 吸收层厚度 为 0.5 μm 时，器件效率可达 10.38 %（见图 2.4(b)） 。 图 2.4 引入不同厚度 MoOx 薄膜作为背界面层的电池器件 (a)背部势垒高度示意图 (b) J-V 曲线（内置表格为各器件的具 体电学参数） 3.结论 本文采用高功函金属氧化物 MoOx 作为低温制备的超薄 CIGS 太阳电池的背界面层，并对 MoOx 薄膜的材料特性进行了系列研究，发现其功函数随着 MoOx 薄膜厚度的增加逐渐增大。采 用 wxAMPS 仿真软件对器件的背部能带结构进行仿真，结果表明，适当厚度的 MoOx 薄膜有利 于器件背部能带结构的调整，降低背部势垒高度。最终实验数据表明，MoO x 薄膜厚度为 10 nm 时，器件的背部势垒可降低到 15.98 meV，器件性能最优，低温制备的 CIGS 吸收层厚度为 0.5μm 时，器件效率达到了 10.38 %。 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] Wada, T.; Kohara, N.; Nishiwaki, S.; Negami, T. Characterization of the Cu(In,Ga)Se 2 /Mo interface in CIGS solar cells. Thin Solid Films 2001, 387 (1–2), 118-122. [2] Spies, J. A.; Schafer, R.; Wager, J. F.; Hersh, P.; Platt, H. A. S.; Keszler, D. A.; Schneider, G.; Kykyneshi, R.; Tate, J.; Liu, X. pin double-heterojunction thin-film solar cell p-layer assessment. Solar Energy Materials Kobayashi, M.; Yamada, A. Comparison of Ag(In,Ga)Se2/Mo and Cu(In,Ga)Se2/Mo Interfaces in Solar Cells. ACS applied materials Chai, L.; Helander, M. G.; Tang, W. M.; Lu, Z. H. Metal/Metal-Oxide Interfaces: How Metal Contacts Affect the Work Function and Band Structure of MoO 3. Advanced Functional Materials 2013, 23 (2), 215–226. [5] Hegedus, S. S.; Shafarman, W. N. Thin‐film solar cells: device measurements and analysis. Progress in Photovoltaics Research & Applications 2004, 12 (2‐3), 155-176. 作者简介： 姓名：何志超 通讯作者：刘玮 主要研究方向：化合物半导体薄膜、光伏材料研究；太阳电池器件物理研究 Email： wwl@nankai.edu.cn 通信地址：天津市津南区海河教育园区同砚路38号南开大学盛帆楼 邮政编码：300350