CdSeTe/Si复合吸收层太阳能电池研究

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太阳能作为最清洁的可再生能源之一,被认为是未来能源领域最具潜力的竞争者。CdSeTe是一种由II-VI族元素组成的三元化合物半导体。这种材料不仅有可通过改变Cd SexTe1-x中x的值实现晶格参数和能带间隙可调的优点,同时有着钝化缺陷延长少子寿命并最终提升器件性能的作用,近年来在光伏器件领域备受关注。同时,基于CdSeTe/p-Si复合吸收层的太阳能电池因为各膜层拥有成熟的制备工艺,还可能具有光电转换效率高、生产成本相对较低和性能稳定的特点,被认为是一种颇有发展前景的下一代太阳能电池。本文采用射频磁控溅射技术探究了CdSeTe薄膜理想的制备工艺条件,接着通过SCAPS软件模拟了CdSeTe/p-Si复合吸收层电池的性能参数,最后通过实验制备出电池并对其性能进行了研究。具体工作如下:(1)CdSeTe薄膜制备。实验发现当沉积压强为1 Pa,溅射功率为90 W,衬底温度250℃时,薄膜沿(111)面择优生长,且为立方闪锌矿结构;EDS测试结果表明,薄膜Se、Te、Cd三种元素的比例分别为9.6%、41.6%、48.8%;透过率测试表明,在可见光范围内光子的透过随着薄膜的厚度增大呈减小的趋势,当厚度达到约880 nm时的CdSeTe薄膜足以吸收绝大多数可见光,可以作为超薄太阳能电池的吸收层以及复合吸收层电池的顶部吸收层。(2)采用SCAPS软件对CdSeTe单吸收层电池和CdSeTe/p-Si复合吸收电池性能进行模拟仿真。对于CdSeTe单吸收层电池,当CdSeTe的厚度增加至900 nm较为合理,且电池随着受主浓度的降低,电池的开路电压逐渐降低;碲硒镉材料的电子亲和势较高,会在与金属接触时产生较大的接触势垒,拉低电池开路电压。而CdSeTe/p-Si复合吸收层电池,引入重掺杂P型硅(NA=1×1019cm-3)作为背接触层时,可将接触势垒降低0.20 e V,效率在原基础上提升55%;硅吸收层厚度达到200μm后,再增加厚度对电池性能提升意义不大;通过优化研究,最终取得了Voc=0.799 V,Jsc=36.99 m A/cm~2,FF=81.12%,PCE=23.98%的优异性能。(3)通过实验制备出CdSeTe/p-Si复合吸收层电池。结果表明,CdSeTe吸收层可明显提高复合吸收层电池开路电压,但也会导致短路电流的降低。复合吸收层电池表现为串联内阻大、并联电阻小,其内部可能存在载流子界面复合和漏电通道等诸多问题。最终得到开路电压约为365 m V,短路电流密度约为2.21 m A/cm~2,填充因子为15.7%,光电转换效率为0.13%的电池。
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