单色光电流-电压特性测试在碲化镉太阳电池研究中应用

王文武, 蒋亚男, 张静全

(四川大学 材料科学与工程学院， 成都 610064)

0 引 言

单色光电流-电压(I-U)特性测试是指在特定强度、波长的单色光的测试条件下，太阳电池的电压、电流等器件性能测试[1-4]，其不仅能反映太阳电池在不同波长下的器件性能，还可以得到不同波长下的太阳电池的收集效率[5-7]。

太阳电池的收集效率[8]定义为光生电流JL与短路电流JL0的比值。在CdTe薄膜太阳电池中，收集损失主要是不同器件结构的光生载流子的输运导致。正如Hegedus等[9]提出的，太阳电池的收集效率可以通过两个不同光照强度的J-U计算得到。

单色光I-U测试有助于分析太阳电池器件结构与其在不同波长范围的器件性能的相关关系，更有利于深入研究太阳电池器件的构造与其对不同波段太阳光响应的关系，从而为进一步提高电池器件性能提供理论依据。同时单色光I-U测试及收集效率的计算是结合半导体物理与太阳电池器件及器件物理方面知识，能够更好地促进相关专业的学生更深入地了解器件物理及半导体相关理论。

本文选取实验室自主研制的不同结构的CdTe太阳电池，在不同波长下对其进行单色光I-U测试，然后根据测试结果计算出电池在不同波段下的收集效率，进一步分析太阳电池器件性能与其结构之间关系，为研制更高具有转校效率的太阳电池提供理论依据。

1 测试设备

单色光I-U测试系统主要由：吉时利的2400型数字源表、电脑及单色光源等部分组成。

1.1 单色光源

采用美国Thorlabs Inc.制造的LED阵列光源，中心波长分别为470、525、780和850 nm，其发射谱如图1所示。

通过不同波长的的LED阵列光源发射谱计算了其对应的半高宽，其结果如图2所示。470、525、780和850 nm的LED阵列光源的半高宽分别为23.5、29.4、29.1和31.3 nm。

图1 归一化后LED阵列光源的发射谱

1.2 光源光强标定

以上4种LED阵列光源需要测出其光强随距离变化的曲线，测试时使用的该波段内的光强校准到AM 1.5 G对应波段的光强。实验使用的设备为美国Solar Light，PMA2100紫外线照度计，精确度可达0.5%。实测的每个波段LED阵列光源的光强随距离变化曲线见图3。可见，每个波段的光强都随距离的增大而单调降低，其中850 nm波段的光强最强。

图4为各个波段LED光源光强实际测量的光强距离曲线平滑拟合后的图。通过拟合后，可以得到每个曲线不同距离对应的光强，便于计算不同辐照强度对应的光强距离分布。

(a) 470 nm

(b) 525 nm

(c) 780 nm

图2 不同LED阵列光源的半高宽计算

图3 LED阵列光源的光强分布图

1.3 光源光强测量

实际单色光I-U测试过程中主要参数分别设定如下，扫描电压-0.05～0.85 V；点数150；限制电流3 mA。以AM1.5G对应波段单色光强为标光强，分别求出标准光强0.9、0.8、0.7和0.6倍时的对应距离，表1为不同单色光强光源距触点的实际距离与强度关系。

图4 LED阵列光源的光强距离模拟图

在不同光强下测量电池在不同单色光和一对光强下的单色光I-U曲线，可以计算可得到对应单色光收集效率曲线。

表1 不同单色光强光源距触点实际距离与强度关系 cm

2 实验与结果分析

本实验中用到的CdTe电池为四川大学太阳能材料与器件研究所制备，CdTe太阳电池的基本结构为glass/FTO/SnO2/CdS/CdTe/ZnTe:Cu/Au[10-13]。

表2，3是实验测试过程中用到的电池的器件结构和其对应的光I-U主要参数。

表2 不同结构的CdTe太阳电池

表3 不同结构的CdTe太阳电池的I-U参数

正如Hegedus等[5]提出的，太阳电池的收集效率可以通过两个不同光照强度的J-U计算得到：

(1)

测试了不同波长下不同光照强度的电流-电压曲线，然后计算出太阳电池的收集效率。图5为不同结构不同波段单色光下(470，525，780和850 nm)的收集效率和单色光的CE-Voltage图。太阳电池中的收集效率分为准中性区(QNR)和空间电荷区(SCR)两部分[9，14]。在SCR中，收集效率与前端的势垒高度、耗尽区宽度以及窗口层和CdTe间的界面态密度有关。而在QNR中，收集效率主要和背部复合相关。

(a)470 nm(b) 525 nm(c) 780 nm(d) 850 nm

图5 CdTe太阳电池单色光下的CE-Voltage图

从图5可看出，具有背接触层的器件S1和S2，其470和525 nm的单色光收集效率在大的偏压下只降低不到10%，尤其是具有高阻层的S1结构绝对减少量都更低。在去掉背接触层后，器件S3和S4在小偏压下和前两种结构具有同样高的收集效率，在UOC附近下降明显，但有HRT的复合窗口层的收集效率要稍微高于只有CdS的窗口层。在长波段收集效率图5(c)和(d)中可以看出，S1结构的780 nm波段收集效率优于其他6种结构；在带隙附近850 nm波段的收集效率曲线中，S1结构未表现出这种差异，反而没有背接触层和有高阻层的CdS/CdTe电池具有更高的收集效率。从以上几种结构对比可以得出，高品质的高阻层可以有效提高器件短波段的收集效率，并适当提高长波段的收集效率；背接触层能使器件背部形成良好的欧姆接触并有效提高器件短波单色光在大偏压下的收集效率，皆利于提高器件性能。

对于无CdS层的器件S5和S6，其4个波段的单色光收集效率在小偏压下降低超过30%，尤其是无背接触层的S6结构下降更陡峭，在UOC附近降低更加显著。当器件未能形成稳定的p/n结时，如S7结构，器件单色光下的收集效率降低的有些夸张，不具备实际意义，但这种陡峭的降低趋势是器件实际收集效率差的表现。无CdS层的CdTe电池的收集效率在低偏压下开始明显下降，这一现象主要是由于界面态引起的。稳定的CdS为六方相结构，其晶格常数比SnO2和FTO更接近CdTe，与CdTe立方相的晶格失配度只有9.8%，是几种合适窗口层中最低的，但这仍可以产生非常高的界面缺陷态密度；但在CdS在CdTe的制备高温热退火过程中发生扩散，部分CdS被消耗生成带隙更低的CdTexS1-x三元相[15]，降低了CdS窗口层厚度并增加蓝光吸收，有利于器件整体性能的提高，也使得CdS和CdTe之间的界面缺陷态密有效降低并进一步减少界面复合。

3 结 语

单色光I-U能够很好地给出太阳电池在各个波长下的转换效率，进一步计算出太阳电池的不同波长的收集效率，可以进一步得到电池不同膜层对器件性能的影响，进而促进太阳电池器件的工艺优化。以CdTe薄膜太阳电池为例，可以通过不同结构的电池单色光I-U测试和收集效率的计算，获得各个膜层对整个器件性能的影响，从而为进一步优化电池结构和制备工艺提供理论依据。