新型硒化锑薄膜太阳电池背接触优化

硒化锑(Sb₂Se₃)具有低毒、原材料丰富和光电性能优异等优点,被认为是最具有发展潜力的薄膜太阳电池光吸收层材料之一.但目前Sb₂Se₃薄膜太阳电池光电转换效率与碲化镉、铜铟镓硒和钙钛矿等太阳电池相比仍存在较大差距.限制Sb₂Se₃薄膜太阳电池光电转换效率进一步提升的关键因素之一是,太阳电池结构中Mo背电极和Sb₂Se₃薄膜构建的背接触界面处容易形成较高的势垒,降低载流子的抽取效率.本工作则对Mo背电极进行热处理生成缓冲层MoO₂薄膜,发现缓冲层MoO₂的引入,可有效地促进Sb₂Se₃薄膜的择优取向生长,同时实现太阳电池Mo/MoO2/Sb₂Se₃背接触势垒降低,相应的填充因子、开路电压和短路电流密度均获得显著提高,构建的太阳电池光电转换效率从5.04%提升至7.05%.     

非晶硅界面缓冲层对非晶硅锗电池性能的影响

针对非晶硅锗电池本征层高锗含量时界面带隙失配以及高界面缺陷密度造成电池开路电压和填充因子下降的问题,通过在PI界面插入具有合适带隙的非晶硅缓冲层,不仅有效缓和了带隙失配,降低界面复合,同时也通过降低界面缺陷密度改善内建电场分布,从而提高了电池的收集效率. 进一步引入IN界面缓冲层以及对非晶硅锗本征层进行能带梯度设计,在仅采用Al背电极时,单结非晶硅锗电池转换效率达8.72%. 关键词： 非晶硅缓冲层 非晶硅锗薄膜太阳电池 带隙 界面     

不同环境下硫化镉/铜基薄膜异质结退火对太阳电池性能调控

高效铜基薄膜太阳电池通常采用无机n型半导体材料CdS作为缓冲层,因此,缓冲层与吸收层之间的界面质量和能带匹配对载流子的收集利用至关重要.在优化CdS基础工艺的基础上,在含硫气氛下对硫化镉/铜基薄膜异质结进行退火的策略进一步提高CdS薄膜质量,并将其应用到铜基太阳电池,调控铜基薄膜电池p-n异质结能带匹配.研究表明, CdS薄膜在含硫的惰性气氛中退火可以有效提高CdS薄膜的结晶质量并抑制CZTS/CdS异质结界面的非辐射复合,器件的开路电压得到大幅提升,最高可达718 mV.在器件效率方面,基于溅射法的CZTS太阳电池效率从3.47%提升到5.68%,约为不退火处理的2倍.该研究为铜基薄膜太阳电池器件实现高开路电压提供了可靠的工艺窗口.同时,有力地说明了退火气氛选择对于CdS质量以及CZTS/CdS异质结能带匹配的重要性,除了界面互扩散以外,对薄膜材料组分及其结晶性等均实现了调控.     

碲化镉薄膜太阳电池中的关键科学问题研究

文章对CdTe薄膜太阳电池中的4个关键科学问题进行了讨论,并对电池器件的性能进行了研究,其中包括高质量硫化镉薄膜、背接触层、CdS/CdTe界面和CdCl2热处理性能的研究.文章作者研究了背电极接触层中Cu掺杂含量对电池性能的影响,通过改变背接触层中Cu的含量,可以改变Cu与Te反应产生的物相成分,从而发现以Cu1.4Te为主导的背接触缓冲层能有效地减少电池I—V曲线中的“翻转”(roll-over)现象,同时能有效地降低背接触势垒.此外,还研究了CdS/CdTe界面的CdCl2热处理反应,发现当热处理温度高于350℃时,CdS与CdTe之间的互扩散开始发生,此温度对应于CdS由立方相转变为六方相;而在550℃热处理后,S和Te互扩散形成的CdSxTe1-x化合物,其x值高达11％.通过优化电池制备工艺,获得了在AMl.5标准光源下高达14.6％的CdTe电池转换效率.     

CdTe太阳电池的不同背电极和背接触层的特性研究

用Ni替代Au来作为CdTe太阳电池的背电极，比较了Ni,Ni/Au,Au/Ni及Au背电极对电池性能的影响.发现Ni作为背电极和ZnTe/ZnTe:Cu复合层接触，电池的开路电压V_oc略有降低，填充因子FF有增有减，变化幅度不大，但因短路电流I_sc有较大的提高，转换效率η平均增长4％.测试了不同背电极的CdTe太阳电池的暗I-V和C-V特性，对背电极剥离后的样品进行了XPS测试分析.结果表明，Ni扩散到ZnTe/ZnTe:Cu复合层的深度比Au多，且大多呈离子态，与ZnTe/ZnTe:Cu复合层中的富Te离子形成Ni_xTe，提高了掺杂浓度，使电池性能获得改善. 关键词： 金属背电极 复合背接触层 转换效率 CdTe太阳电池     

CdTe薄膜太阳电池背接触的研究

用近空间升华法制备了CdTe多晶薄膜，用硝酸-磷酸(NP)混合液对薄膜表面进行了腐蚀.经SEM观测，腐蚀后的CdTe薄膜晶界变宽，XRD测试发现，经NP腐蚀后，在CdTe薄膜表面生成了一层高电导的富Te层.在腐蚀后的CdTe薄膜上分别制备了Cu，Cu/ZnTe：Cu，ZnTe：Cu，ZnTe/ZnTe：Cu四种背接触层，比较了它们对太阳电池性能的影响.结果表明，用ZnTe/ZnTe：Cu复合层作为背接触层的效果较好，获得了面积为0.5cm²，转换效率为13.38%的CdTe多晶薄膜太 关键词： 硝磷酸腐蚀 背接触层 CdTe太阳电池     

渐变带隙氢化非晶硅锗薄膜太阳能电池的优化设计

利用一维微电子-光电子结构分析软件(AMPS-1D)在AM1.5G(100 mW/cm2)、室温条件下模拟和比较了有、无渐变带隙氢化非晶硅锗(a-SiGe:H)薄膜太阳能电池的各项性能.计算结果表明:渐变带隙结构电池具有较高的开路电压(V oc)和较好的填充因子(FF),转换效率(E ff)比非渐变带隙电池提高了0.477%.研究了氢化非晶硅(a-Si:H)、氢化非晶碳化硅(a-SiC:H)和氢化纳米晶硅(nc-Si:H)三种不同材料的窗口层对a-SiGe:H薄膜太阳能电池性能的影响.结果显示:在以nc-Si:H为窗口层的电池能带中,费米能级E F已经进入价带,使得窗口层电导率及电池开路电压有所提高,又由于ITO与p-nc-Si:H的接触势垒较低,使得接触处的电场降低,更有利于载流子的收集.另一方面,窗口层与a-SiGe:H薄膜之间存在较大的带隙差,在p/i界面由于能带补偿作用形成了价带势垒(带阶)?E v,阻碍了空穴的迁移,因此我们在p/i界面引入缓冲层,使得能带补偿作用得到释放,更有利于空穴的迁移和收集,得到优化后单结渐变带隙a-SiGe:H薄膜结构太阳能电池的转换效率达到了9.104%.     

磁控溅射Cl掺杂CdTe薄膜的孪晶结构与电学性质

CdTe用作薄膜太阳能电池吸收层需要经过氯处理才能得到高的光电转换效率,其中Cl原子的作用机理仍然没有完全被理解.实验发现Cl原子主要偏聚在CdTe晶界处,对晶界有钝化作用,而有第一性原理计算认为Cl原子掺入CdTe晶格能够引入浅能级提高光电转换效率.为了验证Cl原子掺杂是否对CdTe的光电转换效率有益,本文通过磁控溅射制备了100 ppm(ppm=1/1000000)Cl原子掺杂的CdTe(CdTe:Cl)薄膜并研究了薄膜的晶体结构与电学性质,同时对比了正常氯处理的无掺杂CdTe薄膜与CdTe:Cl薄膜之间的性质区别.实验发现Cl原子掺杂会在CdTe:Cl中形成大量仅由几个原子层构成的孪晶,电子和空穴在CdTe:Cl薄膜中没有分离的传导通道,而在氯处理后的CdTe薄膜中电子沿晶界传导,空穴沿晶粒内部传导.磁控溅射沉积的CdTe:Cl多晶薄膜属于高阻材料,退火前载流子迁移率很低,退火后载流子浓度降低到本征数量级,电阻率提高.CdTe:Cl薄膜电池效率远低于正常氯处理的无掺杂CdTe薄膜电池效率.磁控溅射制备的非平衡重掺杂CdTe:Cl多晶薄膜不适合用作薄膜太阳能电池的吸收层.     

硅基异质结太阳电池新进展

非晶硅/晶体硅异质结太阳电池(SHJ)是在晶体硅上沉积非晶硅薄膜,它综合了晶体硅电池与薄膜电池的优势,具有结构简单、工艺温度低、钝化效果好、开路电压高、温度特性好、双面发电等优点,是高转换效率硅基太阳电池的热点方向之一。本文首先综述了近几年SHJ电池制造工艺技术的进步,包括臭氧清洗硅片、热丝化学气相沉积技术沉积非晶硅薄膜、透明导电薄膜沉积方法和材料的改进,以及新型金属化电极技术在SHJ电池中的应用所取得的进展。然后介绍了结合背面结技术、载流子选择性钝化接触技术的硅异质结电池以及薄型硅异质结太阳电池最新研究情况。进一步分析了与叉指式背接触技术相结合的硅异质结电池、与钙钛矿太阳电池技术相结合的钙钛矿/硅异质结两端叠层太阳电池的研究现状,指出硅基异质结太阳电池是迈向更高效率太阳电池的基石。     

提高微晶硅薄膜太阳电池效率的研究

采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术制备了系列微晶硅薄膜太阳电池，指出了气体总流量和背反射电极的类型对电池性能参数的影响.电池的I-V测试结果表明：随反应气体总流量的增加，对应电池的短路电流密度、开路电压和填充因子都有很大程度的提高，结果使得电池的光电转换效率得以提高.另外，ZnO/Ag/Al背反射电极能明显提高电池的短路电流密度，进而也提高了电池的光电转换效率.对气体总流量和背反射电极类型影响电池效率的原因进行了分析. 关键词： 微晶硅薄膜太阳电池 气体流量 ZnO/Ag/Al背反射电极     

Cu_2O/ZnO氧化物异质结太阳电池的研究进展

介绍了近年来低成本Cu_2O/ZnO氧化物异质结太阳电池方面的研究进展.应用于光伏器件的吸收层材料Cu_2O是直接带隙半导体材料,天然呈现p型;其原材料丰富,且对环境友好.Cu_2O/ZnO异质结太阳电池结构主要有平面结构和纳米线/纳米棒结构.纳米结构的Cu_2O太阳电池提高了器件的电荷收集作用;通过热氧化Cu片技术获得的具有大晶粒尺寸平面结构Cu_2O吸收层在Cu_2O/ZnO太阳电池应用中展现出了高质量特性.界面缓冲层(如i-ZnO,a-ZTO,Ga_2O_3等)和背表面电场(如p~+-Cu_2O层等)可有效地提高界面处能级匹配和增强载流子输运.10 nm厚度的Ga_2O_3提供了近理想的导带失配,减少了界面复合;Ga_2O_3非常适合作为界面层,其能够有效地提高Cu_2O基太阳电池的开路电压V_(oc)(可达到1.2 V)和光电转换效率.p~+-Cu_2O(如Cu_2O:N和Cu_2O:Na)能够减少器件中背接触电阻和形成电子反射的背表面电场(抑制电子在界面处复合).利用p型Na掺杂Cu_2O(Cu_2O:Na)作为吸收层和Zn_(1-x)Ge_x-O作为n型缓冲层,Cu_2O异质结太阳电池(器件结构:MgF_2/ZnO:Al/Zn_(0.38)Ge_(0.62)-O/Cu_2O:Na)光电转换效率达8.1%.氧化物异质结太阳电池在光伏领域展现出极大的发展潜力.     

Development of ZnTe film with high copper doping efficiency for solar cells

Since a hole barrier was formed in back contact due to mismatch of work function, the back contact material for CdTe cell has been a significant research direction. The ZnTe:Cu is an ideal back contact material, which reduces the valence band discontinuity and can be used as the electron back reflection layer to inhibit interface recombination. The conductivity of ZnTe:Cu film is improved by applying RF-coupled DC sputtering and post-deposition heat treatment. The doping efficiency is computed as the ratio of free hole density and copper concentration, which can be correlated with performance for CdTe-based solar cell. The higher doping efficiency means that more copper atoms substitute for Zn sites in ZnTe lattices and less mobilized copper atoms remain which can enter into the CdTe absorber layer. Copper atoms are suspected as dominant element for CdTe-based cell degradation. After optimizing the ZnTe:Cu films, a systematic study is carried out to incorporate ZnTe:Cu film into CdTe solar cell. The EQE spectrum is kept relatively stable over the long wavelength range without decreasing. It is proved that the conduction band barrier of device with ZnTe:Cu/Au contact material has an effect on the EQE response, which works as free electron barrier and reduces the recombination rate of free carrier. According to the dark J—V data or the light J—V data in the linear region, the current indicates that the intercept gives the diode reverse saturation current. The results of ideality factor indicate that the dominant recombination occurs in the space charge region. In addition, the space charge density and depletion width of solar cell can be estimated by C—V profiling.     

用光电子能谱研究CdTe太阳电池的背接触特性

CdTe太阳电池的背电极须采用高功函数金属。通过采用光电子能谱(XPS)分析了高功函数金属Au和Ni分别作为背电极的CdTe太阳电池背接触特性,发现在背电极剥离后,Au在ZnTe/ZnTe∶Cu背接触层表面以Au单质形式存在,扩散深度较浅;Ni扩散到ZnTe/ZnTe∶Cu复合层的深度比Au大,且大多呈离子态,与ZnTe/ZnTe∶Cu复合层中的富Te离子形成Ni_xTe,提高了掺杂浓度,使电池性能获得改善。在两样品中还发现,不论是Te的峰还是Zn的峰,其峰的位移变化都很小,说明两样品中Te和Zn的存在形式没有发生变化。     

Short-circuit current improvement in CdTe solar cells by combining a ZnO buffer layer and a solution back contact

Conventional CdTe solar cells have a CdS window layer, in which an absorption loss of photons with more than 2.4 eV occurs through the CdS layer. A thinner CdS layer was applied to enhance light transmission and a ZnO buffer layer with a band gap of 3.3 eV was introduced to suppress shunting through the thinner CdS window layer. A 100-nm thick ZnO layer sputter-deposited at 300 °C had uniform coverage on a transparent conductive oxide (TCO) after a subsequent high-temperature process. The ZnO layer was effective in preventing shunting through the CdS window layer so that the open-circuit voltage and fill factor of the CdTe solar cells were recovered and the short-circuit current was enhanced over that of the conventional CdTe solar cell. In the ZnO/CdS/CdTe configuration, the short-circuit current was further improved throughout the visible wavelength region by replacing the Cu-metal contact with a Cu solution contact. As a result the short-circuit current from 21.7 to 26.1 mA/cm² and the conversion efficiency of the CdTe solar cell increased from 12 to 15% without antireflective coating. Our result indicates that the Cu solution back contact is a critical factor for achieving a higher cell efficiency in addition to ZnO buffer layer.     

Deep level transient spectroscopy investigation of deep levels in CdS/CdTe thin film solar cells with Te:Cu back contact

Deep levels in Cds/CdTe thin film solar cells have a potent influence on the electrical property of these devices. As an essential layer in the solar cell device structure, back contact is believed to induce some deep defects in the CdTe thin film. With the help of deep level transient spectroscopy (DLTS), we study the deep levels in CdS/CdTe thin film solar cells with Te:Cu back contact. One hole trap and one electron trap are observed. The hole trap H1, localized at E_v+0.128~eV, originates from the vacancy of Cd (V_Cd. The electron trap E1, found at E_c-0.178~eV, is considered to be correlated with the interstitial Cu_i⁼ in CdTe.     

肖特基钙钛矿太阳电池结构设计与优化

有机-无机杂化钙钛矿材料有高吸收系数、低廉的制作成本以及较为简单的制备工艺,在近年来表现出良好的发展前景.本文采用wx-AMPS模拟软件对平面结构钙钛矿太阳电池和肖特基钙钛矿太阳电池进行建模仿真对比,从理论上分析无载流子传输层的肖特基钙钛矿太阳电池的优势.结果显示,器件两侧电极功函数和吸收层的能带分布是提高太阳电池效率的关键.在对电极使用Au(功函数为5.1 eV)的前提下,透明导电电极功函数为3.8 eV,可以得到肖特基钙钛矿太阳电池转换效率为17.93%.对器件模型吸收层进行优化,通过寻找合适的掺杂浓度,抑制缺陷密度,确定合适的厚度,可以获得理想的转换效率(20.01%),是平面异质结结构(理论转换效率31%)的63.84%.肖特基钙钛矿太阳电池在简单的器件结构下可以获得优异的光电性能,具有较好的应用潜力.     

肖特基势垒对CdS/CdTe薄膜电池J-V暗性能的影响

采用数学模拟方法分析了不同背接触势垒高度(φ_b) 对于CdS/CdTe薄膜电池的J-V(电流密度-电压)方程的影响, 得出了势垒高度与roll-over的变化对应关系. 采用相应Cu/Mo背电极的CdS/CdTe薄膜电池在220-300 K的变温J-V曲线的数值分析与理论分析相对照, 分析了背势垒对于J-V曲线拟合参数的影响. 修正了φ_b 与反向饱和电流(J_b0)关系式, 理论与实验符合得非常好. 关键词： CdS/CdTe薄膜 伏安特性 肖特基势垒 roll-over     

铁电半导体耦合薄膜电池中的反常载流子传输现象

CdS-CdTe铁电半导体耦合太阳能电池是一种新型太阳能电池, 其工作机理是光伏材料CdTe吸收光子产生的电子空穴对, 在铁电材料CdS 极化形成的内建电场作用下向两极运动, 通过前后电极引出形成电流. 本文利用原子力显微镜(AFM)进行导电AFM扫描, 得到的CdS-CdTe 铁电半导体耦合太阳能电池薄膜表面微观电流分布出现了一些反常的现象, CdTe晶粒边界处存在百纳米级别的小颗粒覆盖晶界, 晶界不导电, 大电流区域沿晶界边缘在晶粒内分布. 作为对比, 同样条件下制得的纯CdTe薄膜晶界却存在明显的导电现象. 在进行导电AFM扫描时, 分别对两组薄膜样品施加方向相反的直流偏压, 发现CdS-CdTe 铁电半导体耦合太阳能电池薄膜晶界处存在明显的压电现象, 证明CdS-CdTe 铁电半导体耦合太阳能电池薄膜中不导电晶界很有可能是具有压电性的富S的CdS_1-xTe_x颗粒. 扫描透射电镜分析也证实了这些小颗粒为六方相富S的CdS_1-xTe_x 合金. 同时, 经过六个月的定期测试, 发现CdS 铁电半导体耦合太阳能电池出现效率增长的异常现象, 最高电池效率已达13.2%, 该效率是目前已知的铁电光伏器件中最高的.     

单靶溅射制备铜锌锡硫薄膜及原位退火研究

采用衬底加热溅射铜锌锡硫(CZTS)四元化合物单靶制备CZTS薄膜,并研究原位退火对制备薄膜的影响.结果表明:在溅射结束后快速升温并保持一段时间,所得到的样品相比于未原位退火的CZTS薄膜结晶质量更好,且表面更平整致密;原位退火后的CZTS薄膜太阳电池性能参数也相应地有所提升,其开路电压(V_(OC))为575 mV,短路电流密度(J_(SC))为8.32 mA/cm~2,光电转换效率达到1.82%.