μc-3C-SiC用作Cu2ZnSnS4薄膜太陽(yáng)能電池緩沖層的數(shù)值研究*

袁吉仁 ，鄧新華

(1.南昌大學(xué)理學(xué)院，南昌330031;2.東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096)

目前，代替銅銦鎵硒(CIGS)材料的Cu2ZnSnS4(CZTS)新一代薄膜太陽(yáng)能電池越來(lái)越受到人們的重視。CZTS材料作為光吸收層具有以下優(yōu)點(diǎn):CZTS材料的光學(xué)帶隙為 1.45 eV ～1.5 eV［1-2］，剛好在半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池所要求的最佳禁帶寬度范圍內(nèi)，單結(jié)CZTS薄膜電池的最高轉(zhuǎn)換效率預(yù)計(jì)可達(dá)32.2%［3］;同時(shí)，CZTS 薄膜的光吸收系數(shù)很大(可見(jiàn)光波段吸收系數(shù) 104cm-1～105cm-1)［4-5］，只需要很薄的厚度就可吸收大部分太陽(yáng)光，有利于降低成本;另外，CZTS組成元素?zé)o毒且在地球上的儲(chǔ)量極為豐富和價(jià)格低廉［6-7］。綜上各種優(yōu)越特性，CZTS太陽(yáng)能電池是一種低成本環(huán)保型的具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぬ?yáng)能電池。然而，典型的CZTS薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)中緩沖層為硫化鎘(CdS)材料，CdS中含有重金屬元素Cd，對(duì)人體有毒以及對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染;而且，CdS光吸收系數(shù)較大，其載流子遷移率較低，會(huì)產(chǎn)生短波吸收損失。因而，必須尋找不含鎘的合適材料來(lái)代替CdS作為緩沖層其中，王彩娜等人［8-10］用ZnS等寬禁帶材料來(lái)取代CdS，但是ZnS等材料與CZTS的禁帶寬度相差太大，會(huì)帶來(lái)較高的界面態(tài)缺陷，影響太陽(yáng)能電池器件性能。Shen等人［11］采用沒(méi)有毒性的非晶硅(a-Si作為緩沖層材料，如此不僅可以緩沖窗口層與CZTS吸收層的帶隙失配，還可鈍化CZTS表面缺陷，實(shí)驗(yàn)證明他們?nèi)〉昧肆己玫男Ч?。但是，a-Si材料的禁帶寬度為1.7 eV～1.9 eV，其光吸收系數(shù)較高，載流子遷移率很低，因而在短波區(qū)吸收的太陽(yáng)光子也幾乎不能轉(zhuǎn)化為光電流而白白浪費(fèi)掉了。為此，本文提議一種類似a-Si但其光吸收系數(shù)比a-Si小得多的材料作為緩沖層，即微晶立方碳化硅(μc-3CSiC)。μc-3C-SiC的帶隙較寬(2.2eV)，光吸收系數(shù)很小，電導(dǎo)性很好，也具備鈍化CZTS表面缺陷的功能［12-13］。另外，μc-3C-SiC材料的生產(chǎn)工藝與CZTS太陽(yáng)能電池的制備兼容。μc-3C-SiC預(yù)計(jì)將會(huì)是一種非常合適的CZTS電池緩沖層材料。因而，本文對(duì)用μc-3C-SiC作為CZTS薄膜太陽(yáng)能電池的緩沖層進(jìn)行數(shù)值研究，探討新的緩沖層對(duì)CZTS薄膜太陽(yáng)能電池器件性能的影響，為實(shí)際制備高效無(wú)鎘的CZTS太陽(yáng)能電池提供理論依據(jù)與參考。

1 物理模型

如圖1所示為所研究的CZTS太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，從下往上依次為基板鈉鈣玻璃、Mo背接觸電極、p型CZTS吸收層、n型μc-3C-SiC緩沖層、n型ZnO窗口層、防反射層ARC和柵電極。使用的模擬軟件為 SCAPS［14］，各層材料的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表 1［13，15-17］。

圖1 CZTS太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 模擬計(jì)算中采用的材料參數(shù)

模擬光照條件為AM 1.5，100 mW/cm2。默認(rèn)溫度為300 K。其中，CZTS薄膜的光吸收系數(shù)取自文獻(xiàn)［18］，μc-3C-SiC材料的光吸收系數(shù)取自文獻(xiàn)［13］，其他材料的光吸收系數(shù)取自SCAPS軟件自帶的光吸收文件。圖2為計(jì)算而成的所研究的CZTS太陽(yáng)能電池的熱平衡態(tài)時(shí)的能帶圖。

圖2 CZTS太陽(yáng)能電池的熱平衡態(tài)能帶圖

2 結(jié)果與討論

圖3所示為μc-3C-SiC緩沖層不同厚度時(shí)的電池短路電流密度Jsc。從圖中可以看到，隨著μc-3C-SiC緩沖層厚度的增大，Jsc的變化很小，這是因?yàn)棣蘡-3C-SiC材料的光吸收系數(shù)小，盡管緩沖層厚度增大，但對(duì)CZTS吸收層正常利用太陽(yáng)光子幾乎沒(méi)有影響。為了形成對(duì)比，圖3也給出了使用CdS作為緩沖層時(shí)電池短路電流密度與緩沖層厚度的變化關(guān)系。由圖可得，當(dāng)緩沖層厚度為50 nm時(shí)用μc-3C-SiC緩沖層的電池的Jsc為34.37 mA/cm2，而用CdS緩沖層的Jsc為33.68 mA/cm2;當(dāng)緩沖層厚度為200 nm時(shí)，用μc-3C-SiC緩沖層的電池的Jsc為34.19 mA/cm2，而用CdS緩沖層的Jsc下降為30.13 mA/cm2。由此可見(jiàn)，用CdS緩沖層會(huì)降低電池的電流輸出，換成μc-3C-SiC緩沖層則即使緩沖層厚度加大至200 nm也幾乎沒(méi)有影響電池的短路電流密度。

圖3 不同緩沖層厚度時(shí)的電池短路電流密度

圖4為μc-3C-SiC與CdS兩種緩沖層不同厚度時(shí)的電池開(kāi)路電壓Voc。由圖可得，隨著μc-3C-SiC緩沖層厚度的增大，Voc基本沒(méi)有變化;而隨著CdS緩沖層厚度的增大，Voc有逐漸變小的趨勢(shì)。整體而言，用μc-3C-SiC緩沖層的電池的開(kāi)路電壓要大于用CdS緩沖層的開(kāi)路電壓。

圖4 不同緩沖層厚度時(shí)的電池開(kāi)路電壓

圖5為電池轉(zhuǎn)換效率隨緩沖層厚度的變化關(guān)系。由圖可得，用 μc-3C-SiC緩沖層明顯好于用CdS緩沖層。當(dāng)緩沖層厚度為50nm時(shí)，用μc-3CSiC緩沖層的電池效率為26.28%，而用CdS緩沖層的電池效率為25.63%;當(dāng)緩沖層厚度為200 nm時(shí)，用μc-3C-SiC緩沖層的電池效率為26.15%，而用CdS緩沖層的電池效率為22.84%，兩者相差3.69%。另外，緩沖層厚度增大但又幾乎不影響電池轉(zhuǎn)換效率時(shí)有一個(gè)特別的好處，即實(shí)際制備CZTS電池時(shí)當(dāng)緩沖層厚度比較大時(shí)窗口層中的本征ZnO可以不需要［19-20］，如此有利于商業(yè)化生產(chǎn)，而且可以避免本征ZnO帶來(lái)的高的串聯(lián)電阻。

圖5 不同緩沖層厚度時(shí)的電池轉(zhuǎn)換效率

CdS緩沖層厚度增大導(dǎo)致電池效率降低很多的原因在于CdS的光吸收系數(shù)較高且少數(shù)載流子(空穴)的擴(kuò)散長(zhǎng)度很短，使得浪費(fèi)一部分短波段的太陽(yáng)光子。從圖2可以得到，太陽(yáng)光從左側(cè)入射，經(jīng)過(guò)寬禁帶的ZnO窗口層，再進(jìn)入緩沖層，之后才到達(dá)CZTS吸收層。如果使用光吸收系數(shù)小的μc-3C-SiC作為緩沖層，則緩沖層吸收的太陽(yáng)光子很少;反之，很多小于其本征吸收長(zhǎng)波限(即520 nm波長(zhǎng))的太陽(yáng)光子被CdS吸收掉了。為此，我們計(jì)算了該電池這兩種緩沖層在不同厚度時(shí)的量子效率(QE)曲線，如圖6和圖7所示。從圖中可以看到，當(dāng)緩沖層為μc-3C-SiC材料時(shí)，厚度從50 nm增大200 nm時(shí)量子效率曲線變化很小。而當(dāng)緩沖層為CdS材料時(shí)，厚度從50 nm增大200 nm時(shí)量子效率曲線短波區(qū)變化非常大，也就是CdS厚度增大時(shí)，電池的藍(lán)光光譜響應(yīng)變差，因而電池效率會(huì)減低。

圖6 不同μc-3C-SiC緩沖層厚度時(shí)的量子效率曲線

圖7 不同CdS緩沖層厚度時(shí)的量子效率曲線

3 結(jié)論

對(duì)于CZTS薄膜太陽(yáng)能電池，利用μc-3C-SiC作為緩沖層可以減少短波吸收的損失，提高電池的轉(zhuǎn)換效率。而且，當(dāng)使用μc-3C-SiC作為緩沖層時(shí)，增加緩沖層厚度對(duì)電池轉(zhuǎn)換效率影響輕微，因而可以使用較厚的μc-3C-SiC緩沖層使得電池結(jié)構(gòu)可以不需本征ZnO層，有利于商業(yè)化生產(chǎn)及降低電池串聯(lián)電阻。另外，μc-3C-SiC沒(méi)有毒性以及能夠鈍化CZTS表面缺陷。由此說(shuō)明μc-3C-SiC是一種很有希望的CZTS薄膜太陽(yáng)能電池的緩沖層材料。

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