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Cu元素对Cu(In,Ga)Se2薄膜及太阳电池的影响Cu元素对Cu(In,Ga)Se2薄膜及太阳电池的影响.pdf

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物理 学报 ActaPhys.Sin.Vo1.63,No.6(2014) 067203 Cu元素对Cu(In,Ga)Se2薄膜及 太阳电池的影响冰 刘芳芳十 何青 周志强 孙云 (天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室,天津 300071) (2013年 11月 l5日收到;2013年 12月 11日收到修改稿) Cu元素成分对Cu(In,Ca)Se2f简称CIGS)薄膜材料的电学性质及其电池器件性能有很重要的影响.本 文利用蒸发法制备了贫Cu和富Cu的cIGs吸收层 (0.7Cu/(Ca+In)1.15)及相应的电池器件.扫描 电镜和Hall测试发现,富Cu材料的结构特性 (晶粒大、结晶状态好)和 电学特性 (电阻率低、迁移率高等)优 于贫Cu材料 而性能测试表明贫Cu器件的效率优于富Cu器件.变温性能测试分析表明,贫Cu器件的主要 复合路径是体复合,激活能与CIGS禁带宽度相当;富Cu器件的主要复合路径是界面复合,其激活能远小于 CIGS禁带宽度,这大大降低了开路 电压 。,从而降低了电池效率.最后利用蒸发三步法制备了体材料稍富 Cu表面贫Cu的CIGS吸收层,降低了短路 电流和开路电压的损失,获得了超过 15%的电池效率. 关键词:Cu(In,Ca)Se2太阳电池,Cu元素,激活能,开路电压 PACS:72.80.Cw,73.20.At,78.55.Et DOI:10.7498/aps.63.067203 是贫Cu方向的容忍性)可以偏离2%以上,如此显 1 引 言 著偏离化学计量 比的器件仍然具有优异的半导体 光伏性能.国外对此方面进行过一些研究[2-4],认 Cu(In,Ga)Se2(CIGS)材料属于黄铜矿的一 为这与CIGS材料的内部缺陷以及复杂的自掺杂作 种,其阳离子 (Cu,In(Ca)原子)存在 四个最近 用有关.本文针对这一问题,就Cu元素对CIGS吸 邻 的阴离子 fSe原子)周 围,通过这些组成原子 收层及相应的电池器件的影响展开一系列研究. (Cu,In(Ga),Se)的不同配 比来形成大量的替位 或间隙原子的点缺陷,使材料同时存在提供 电子 2 实 验 和空穴的施主和受主缺陷,从而成为 自掺杂半导 体材料,使得CIGS材料对化学计量比偏离有 良好 利用共蒸发一步法沉积CIGS薄膜,通过改变 的容忍性.据文献f1]报道,Cu/(In+Ga)比值处于 Cu源蒸发温度控制Cu比例 (Cu/(Ga+In),图示 0.8—0.92范围内的CIGS材料,都可 以制备出高效 中以X表示)变化,制备了贫Cu和富Cu的CIGS CIGS电池器件.理论上讲,1% 的化学计量 比偏 薄膜样 品 (0.7Cu/(Ca+In) 1.15),再在 离产生的点缺陷浓度大约为 102cm一3,而半导体 上面利用化学水浴法沉积50nm的CdS缓冲层 光伏材料一般可 以接受的复合 中心净掺杂浓度是 薄膜和溅射沉积500nm 的ZnO窗 口层,制备成 10 cm_。,相差了10000倍.因此要得到具有好 电 Mo/CIGS/CdS/ZnO结构的电池器件. 学特性的光伏器件,化学计量比偏离引起的缺陷有 采用X射线荧光光谱仪fXRF)、二次离子质谱 效数 目必须降到一个合理范围 f1017cm一3左右) fSIMS)、扫描 电镜 (SEM)、液氮低温Hall测试仪、 以内.但CIGS太阳电池对 Cu的化学计量比 f尤其 X射线衍射仪 fxRD1对CIGS吸
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