10000887_溅射制备双层Zn(O,S)缓冲层及Zn(O,S)CIGS器件性能研究

溅射制备双层 Zn(O,S)缓冲层及Zn(O,S)/CIGS器件性能研究 史思涵，范玉，林舒平，刘杨，程世清，张运祥，何志超，周志强，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 利用溅射法制备Zn(O,S)薄膜代替CdS作为Cu(In,Ga)Se 2太阳电池的缓冲层，可以提高电池的短 波响应，且适用真空连续化产业生产。本文通过调整溅射工艺制备双层Zn(O,S)薄膜，利用高气 压低功率制备薄膜减小了对CIGS吸收层表面的溅射损伤，减小了界面缺陷，同时降低了界面势 垒，减小了界面复合；低气压高功率下制备薄膜消除杂相，提高了薄膜的电学性能，降低缓冲 层内部及空间电荷区复合，提高器件性能。 关键词：Cu(In,Ga)Se 2薄膜、Zn(O,S) 缓冲层、wxAMPS 仿真 1.研究背景与内容 Cu(In,Ga)Se2薄膜电池已经达到22.9% 的效率[1]，通常利用化学水浴法制备CdS薄膜作为 CIGS电池的缓冲层。但由于 CdS带隙较窄，同时部分国家限制Cd 元素的使用，射频磁控溅射宽 带隙的Zn(O,S)薄膜成为代替CdS作为CIGS 电池缓冲层的一种潜力材料，至今 RF-Zn(O,S)/CIGS 太阳电池的世界最高效率已达到18.3%[2]。制备Zn(O,S)薄膜可以通过调节溅射功率、溅射气压、 衬底温度等条件来改变薄膜及CIGS/Zn(O,S)界面特性，因此本文的研究内容主要有： 1，在三种条件下制备同种厚度的Zn(O,S)薄膜，研究其光学特性、结构特性及表面形貌，同 时制备相应的CIGS 电池cell1 、 cell2、cell3和CdS 参考电池cell4。Cell1为低功率高气压制备单缓 冲层Zn(O,S)-1/CIGS异质结器件；Cell2为高功率低气压制备单缓冲层Zn(O,S)-2/CIGS异质结器 件；Cell3为双缓冲层Zn(O,S)-2/Zn(O,S)-1/CIGS异质结器件； Cell4为CBD-CdS/CIGS参照电池。 2，通过wxAMPS软件仿真三种器件的能带结构及内部电场分布，并对器件进行QE,CV,JV-T 测试，分析其载流子输运及内部复合机制。 2.研究结果与讨论 2.1 Zn(O,S)薄膜光学特性及结构特性 图1 玻璃衬底上溅射制备50 nm缓冲层材料 (a)透反射谱线(b) 光学带隙图(c)300 nm-Zn(O,S)厚度GIXRD谱。 三个条件下制备的薄膜的长波段的透射率都在80%左右，光学带隙基本为 3.93 eV，低功率高 气压条件下Zn(O,S)光学带隙最小，这主要是由于制备Zn(O,S)材料S/Zn较低（约为 0.35）的缘 故。由图c可以看出Zn(O,S)-1 的结晶性能较差，近似为微晶或非晶材料，这主要是由于较低的 溅射能量交换以及较高的散射导致沉积到衬底上原子能量不足所致。而Zn(O,S)-2膜层的结晶性 能明显改善，这有助于减小材料体内可能产生的载流子陷阱缺陷。 2，CIGS/RF-Zn(O,S)器件表征 图2（a-c）不同工艺条件下CIGS/RF-Zn(O,S) 表面形貌。(a) Zn(O,S)-1/CIGS；(b) Zn(O,S)-2/CIGS； (c) Zn(O,S)-2/Zn(O,S)-1/CIGS;(d-f) CIGS/RF-Zn(O,S)器件断面形貌，工艺与上下相对应。 图2a由于低功率下原子能量较低，横向迁移较弱，因此在吸收层表面存在晶粒团簇，容易在 界面形成缺陷。图(b)为高功率低气压下制备的，表面变得平滑。图(c)可以看到双层Zn(O,S)薄 膜对吸收层表面覆盖同样完整，减小了界面缺陷的产生。 3，能带结构和电场分布 图3（a ）Zn(O,S)-1/CIGS（b） Zn(O,S)-2/CIGS（c）Zn(O,S)-2/Zn(O,S)-1/CIGS单双缓冲层器件施 加偏压下的能带结构图。 Cell1电池可以看出在外加偏压下能带弯曲很弱，严重影响光电流的收集。Cell2 器件在CIGS /Zn(O,S)(AB)界面的CBO值比较大，影响载流子的输运。Cell3可以看到AB界面的CBO 降低，同 时增大的能带弯曲也能够保证光生电子的输运和分离，得到较高的器件短路电流密度Jsc。 图4 不同工艺条件下Buffer/Absorber异质结器件（a ）仿真得到的内部电场分布 (b) 亮态JV曲线 Cell1电池缓冲层体区及吸收层体区的场强较小，界面复合较严重。Cell2 电池空间电荷区场 强增强，但缓冲层体区场强有所下降，造成缓冲层体区复合严重，因此Cell1和cell2电池存在严 重的JV 扭曲现象造成FF的下降，而cell3器件性能则明显好转，这主要由于双层器件 AB界面以 及缓冲层体区电学性能的改善，由此器件内部场强分布明显提高。 图5 Cell1~Cell4电池的载流子分布以及 0偏压条件下耗尽区宽度随缓冲层工艺的变化。 图5中Cell4电池的耗尽区宽度约为 350 nm，Cell1-3的耗尽区宽度均大于 500 nm，这说明溅 射制备的Zn(O,S) 掺杂浓度明显高于CdS掺杂浓度，这有益于提高器件开压，减小 AB界面二级势 垒。Cell1电池的耗尽区宽度略小于 Cell2，这主要是由于Cell1缓冲层掺杂浓度较低所致。Cell3 的耗尽区宽度达到了约800 nm，这主要是由于在提高了缓冲层掺杂浓度的同时，减小了界面处 可能由于溅射工艺引入的陷阱缺陷态，从而使得耗尽区宽度展宽，器件性能改善。 结论 采用溅射法制备双层Zn(O,S)缓冲层，高气压低功率制备Zn(O,S)薄膜可以优化CIGS/Zn(O,S) 界面性能，减小界面缺陷。低气压高功率制备Zn(O,S)可以改善薄膜的电学性能，减小 CIGS/Zn(O,S)界面势垒，因此双层缓冲层可以有效减小空间电荷区复合，改善器件性能。 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]. http://www.solar-frontier.com/eng/news/2017/1220_press.html [2]. Klenk R, Steigert A, Rissom T, et al. Junction formation by Zn(O,S) sputtering yields CIGSe-based cells with efficiencies exceeding 18%[J]. Progress in Photovoltaics Research & Applications, 2014, 22(2):161– 165. 作者简介 作者：史思涵 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