文档介绍：项目名称:
新型铜基化合物薄膜太阳能电池相关材料和器件的关键科学问题研究
首席科学家:
肖旭东中国科学院深圳先进技术研究院
起止年限:
依托部门:
中国科学院深圳市科技工贸和信息化委员会
一、关键科学问题及研究内容
1. 高效率的CIGS太阳能电池的制备技术以及材料和器件中的基础科学问题
高效率的CIGS太阳能电池的制备是本项目的支撑和基础, 它为中间带电池及无铟电池的制备提供设计和工艺的经验。为了提高CIGS电池效率,我们将继续优化CIGS吸收层的材料组分以提高电池开路电压, 优化器件结构以提高电荷的收集效率。我们将优化国际上常用的三步法生长中各个环节的生长温度和元素配比,继续提高晶体质量和在空间上实现对能带的调控。图3给出了CIGS中几种不同的能带梯度分布示意图,导带的空间分布可以通过调节In/Ga比在空间的分布来实现。如图3所示,为了提高载流子(电子)的收集效率,(b)的能带分布是合适的,但其代价是会降低开路电压。利用图3(c)中‚√形的双梯度能带结构一度被认为是一种更理想的方案,在这种结构中,电子的势能从背电极(最右边)起往左逐渐减低,然后在表面附近又再升高。这样的设计一方面可以提高电子的收集效率,另一方面可以提高开路电压,不过该方案的缺点是材料对长波光子的吸收不够充分。故,我们认为利用如图
3(d)中所示的能带梯度分布,将是一个最优化的方案,使得同时提升电流和电压成为可能。由于势能的空间调制是由Ga/In的比例来决定的,而且势能最低点的位臵离表面的深度对于电荷收集效率非常关键,所以为了实现理想的能带分布,必须在纳米尺度上精确地控制Ga/In的空间分布。过去人们主要是利用自发扩散过程来实现能带的调制,这里我们将尝试利用主动法来调控能带梯度,探索包括通过Ga、In源束流的调控,衬底温度控制的扩散过程等对Ga/In比例控制的实验方案,来获得对电子的高效率收集。为了高效率地收集电荷,我们还必须确保光生载流子具有长的寿命,而CIGS多晶薄膜的晶粒一般为1-2个微米大小,存在大量的晶界,因此我们必须考虑和深入研究包括晶界的表面势垒,晶界的化学构成等性质。我们将结合纳米尺度的输运性质的测量以及Kelvin探针技术,深入系统地确认晶界的电子态和势垒的来源以及它们在电荷传输中所扮演的角色,找到提升少子寿命和扩散长度的实验途径。为了深刻理解CIGS太阳能电池中Ga的含量大于30%时转换效率下降的物理原因,我们将从以下几个方面入手,首先是确认晶界表面势垒在高Ga组分时的变化情况以判断界面复合的影响,其次利用DLTS和Admittance谱等手段,深入研究DX中心这类深能级的浓度以及俘获界面等随着Ga的浓度的变化规律,再次研究Ga含量过高的时候出现In的团簇聚集和无序加大现象与少子扩散长度减小之间的关联。通过对材料中缺陷物理深入研究,结合一系列表征手段,将可能找到影响电池效率提升的微观机制,并为改善材料性能提供指引。进一步在其它层面上优化器件结构和减少电流损失,从而提升CIGS电池的效率。具体环节包括继续优化CdS缓冲层的厚度和晶体质量,找到本征ZnO的合适厚度,进一步提升透明电极的电导率,利用减反层的设计降低光学损失等。通过系统的探索,最终获得高效率CIGS太阳能电池器件。
2. 铜基化合物中间带太阳能电池材料和器件
-,如图4所示,铜基化合物给我们提供了一个广泛的材料选择。我们将主要关注铜基宽禁带化合物,比如CuAlSe2、 CuAlTe2、CuGaS2以及它们与CuGaSe2、 CuInSe2等的合金体系,发挥该体系‚良性缺陷多的优势。在材料生长上,结合我们过去在CIGS上的丰富经验,我们提出利用共蒸法的三步结晶的生长过程来获得高质量的中间带材料,其核心思想是:1)利用相图中的合适区间来获得理想元素配比的自发实现,2)利用第二步中的液相硒化物相的生成实现LS(液-固)和VLS(气-液-固)两种生长模式来提高薄膜晶体质量,降低缺陷密度。
在掺杂元素的选取上,首先我们将从理论上寻求理想的掺杂元素,使得产生的杂质带能量位臵合适; 然后我们在实验上探索中间带材料的掺杂工艺,研究固溶度和温度的关系,尝试利用包括非平衡生长和数字合金等不同方法来提高掺杂元素的固溶度,重点探索最优的掺杂条件。对于
CuGaS2基体材料,理论上预言Sn、Si和Fe等阳离子的掺入可以产生能量位臵合适的杂质带。为实现杂质元素的高浓度掺入, 我们还将采取Te作为等电子掺杂引入深能级的路线,主要是利用其固溶度较高,非辐射复合中心少的优点。实验上已证实Te掺杂后形成的杂质带具有非常高的发光效率(以ZnS:Te为例),表明这类掺杂未引入很多非辐射复合中