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.     

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.     

铁电半导体耦合光伏器件的历史与最新进展

本文介绍了新型铁电-半导体耦合光伏器件的发展历史和现状, 阐述了所观察到的非经典行为, 即开路电压在直流偏置电场控制下的迟滞的现象. 将之与含有光诱导偶极子场的有机光伏器件和量子点电池、压电光电子器件、铁电光伏器件、钙钛矿电池等进行比较, 发现偶极子极化电场在多种光伏器件中均存在, 甚至可能起到主导作用. 因此, 提出了偶极子场半导体器件的概念, 期望从更广义的范围涵盖结场型器件和非结场型偶极子器件, 为促进光伏发电领域更多的创新提供思路.     

一种在室温合成具有宽带隙CdS的简单方法

采用简单的磁控溅射方法, 在室温合成了CdS多晶薄膜. 在溅射CdS多晶薄膜过程中, 分别在Ar 气中通入0%、0.88%、1.78%、2.58%和3.40% (体积分数, φ)的O₂, 得到不同O含量的CdS多晶薄膜. 通过X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、紫外-可见光谱仪对得到的CdS多晶薄膜进行表征.分析结果表明: O的掺入能得到结合更加致密, 晶粒尺寸更小的CdS多晶薄膜; 与溅射气体中没有O₂时制备的CdS多晶薄膜的光学带隙(2.48 eV)相比, 当溅射气体中O₂的含量为0.88%和1.78% (φ)时, 制备得到的CdS多晶薄膜具有更大的光学带隙, 分别为2.60和2.65 eV; 而当溅射气体中O₂的含量为2.58%和3.40% (φ)时, 得到的CdS光学带隙分别为2.50 和2.49 eV, 与没有掺杂O的CdS的光学带隙(2.48 eV)相当; 当溅射气体中O₂的含量为0.88% (φ)时, 制备的CdS多晶薄膜具有最好的结晶质量. 通过磁控溅射方法, 在溅射气体中O₂含量为0.88% (φ)条件下制备的CdS多晶薄膜表面沉积了CdTe 多晶薄膜并在CdCl₂气氛中进行了高温退火处理, 对退火前后的CdTe多晶薄膜进行了表征. 表征结果显示: CdS中掺入O能得到结合更紧密、退火后晶粒尺寸更大的CdTe多晶薄膜. 通过磁控溅射方法, 在CdS制备过程中于Ar 中掺入O₂, 在室温就能得到具有更大光学带隙的CdS多晶薄膜, 该方法是一种简单和有效的方法, 非常适用于大规模工业化生产.     

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.