GeSe基薄膜太阳电池模拟研究

肖友鹏

(东华理工大学核技术应用教育部工程研究中心， 南昌 330013)

0 引 言

薄膜太阳电池因其材料使用少、制造成本低、器件转换效率和稳定性不断提高，在光伏市场商业化应用中潜力巨大[1]。铜铟镓硒和碲化镉薄膜太阳电池是当前主流的薄膜器件技术，Solar Frontier和First Solar制备的这两种薄膜太阳电池，分别取得了高达23.4%和22.1%的效率纪录[2-3]。但镉是有毒重金属元素，碲和铟是稀有元素，人们将目光转向了储量丰富、环境友好的光伏材料，比如铜锌锡硫、硒化锑、硫化锑、硫化锡和硫化亚锗(GeSe)等[4-8]。GeSe禁带宽度为1.14 eV，可见光波段光学吸收系数高，由于熔点低能在较低温下生长高品质薄膜，化学稳定性高，是一种优异的半导体材料。胡劲松课题组利用近空间升华法生长了GeSe薄膜，制备了底衬结构(Ag/ITO/i-ZnO/CdS/GeSe/Mo/玻璃)和顶衬结构(玻璃/ITO/CdS/Sb2Se3钝化层/GeSe/Au)的薄膜太阳电池，分别取得了3.1%[9]和5.2%[10]的转换效率。

顶衬结构薄膜太阳电池的吸收层直接沉积在常用的CdS层上，沉积过程中通常需要高温制程来获得高质量的薄膜，比如沉积铜铟镓硒和铜锌锡硫的温度分别为550 ℃[11]和500 ℃[12]，p-n结将经历退火过程，导致界面扩散，比如Cd原子从CdS层扩散进入GeSe薄膜，在GeSe禁带中引入深俘获能级[9]。将Sb2Se3钝化层键入CdS和GeSe之间能改善界面扩散效应[10]，但增加了太阳电池的制程。顶衬结构薄膜太阳电池中太阳光是从玻璃进入的，要求玻璃在可见光范围内具有高的透过率。底衬结构薄膜太阳电池先沉积吸收层薄膜再沉积CdS层，有效避免了Cd原子的扩散[9]。底衬结构的铜铟镓硒和碲化镉等薄膜太阳电池一般先在玻璃上沉积Mo层，接着沉积吸收层和缓冲层，然后沉积本征ZnO(i-ZnO)和铝掺杂ZnO(AZO)，最后制作金属栅线。底衬结构的薄膜太阳电池中太阳光是经由正面金属栅线进入的，对背面玻璃的透过率没有要求。考虑到后续GeSe基薄膜太阳电池的工艺兼容性，本研究中器件基于常用的底衬结构，以CdS作为缓冲层，GeSe作为吸收层，对结构为金属栅线/AZO/i-ZnO/CdS/GeSe/Mo/玻璃的薄膜太阳电池进行数值模拟，以深入了解器件的物理机制，分析材料参数与器件性能之间的关系。

1 器件结构与模拟参数

数值模拟采用的是太阳电池模拟软件wxAMPS，该软件模型的求解是基于载流子连续性方程和泊松方程[13]。图1显示了模拟中由金属栅线/AZO/i-ZnO/CdS/GeSe/Mo/玻璃组成的器件结构，其中CdS是太阳电池的缓冲层，GeSe是太阳电池的吸收层。模拟所用的材料特性参数来源于文献报道，表1列出了模拟的主要材料参数及其值。在表中，εr指的是相对介电常数，χe和Eg分别指的是电子亲和能和禁带宽度，NA和ND分别指受主掺杂浓度和施主掺杂浓度，Nc和Nv分别指导带有效态密度和价带有效态密度。在本研究中，假设GeSe吸收层的初始体缺陷密度为1015cm-3，电子和空穴的热速度设置为107cm/s。

表1 GeSe基薄膜太阳电池模拟所使用的材料参数Table 1 Materials parameters used for simulation of the GeSe based thin film solar cells

2 结果与讨论

2.1 缓冲层厚度和掺杂浓度对太阳电池性能的影响

n型缓冲层与p型吸收层构成太阳电池的p-n结，优化缓冲层的厚度和掺杂浓度对于太阳电池获得高的光伏性能非常重要。图2是缓冲层厚度从0.02 μm变化到0.10 μm时GeSe基太阳电池的性能参数变化情况，其中Voc是开路电压，Jsc是短路电流，FF是填充因子，η是转换效率。由图2可以看出，Voc随着缓冲层厚度的增加而下降，这可能是由于随着厚度的增加器件中的串联电阻和载流子复合增加。随着缓冲层厚度的增加，Jsc、FF和η的变化趋势相似，都有一定幅度的增加。当缓冲层厚度增加到0.06 μm时，FF和η分别达到77.16%和20.29%。此后随着缓冲层厚度的增加，FF和η趋于饱和。因此为了优化器件结构，CdS缓冲层的厚度可以取0.06 μm。

图3是缓冲层掺杂浓度从1011cm-3变化到1018cm-3时GeSe基太阳电池的性能参数变化情况。由图3可以看出，随着缓冲层掺杂浓度从1011cm-3增加到1016cm-3，Voc、Jsc、FF和η近似保持不变，当缓冲层掺杂浓度继续增加时，Voc开始下降，而Jsc、FF和η开始增加。因此为了优化器件性能，缓冲层的掺杂浓度可以取为1018cm-3，此时GeSe基太阳电池的η为20.70%。

2.2 吸收层厚度和掺杂浓度对太阳电池性能的影响

吸收层厚度对吸收层品质和器件性能有非常重要的影响。图4是吸收层厚度从0.3 μm变化到1.0 μm时GeSe基太阳电池的性能参数变化情况。由图4可以看出，吸收层厚度的增加有利于器件性能的提升，这是因为厚度的增加有利于产生更多的光生载流子并且有恰当的厚度来收集光生载流子。当吸收层厚度为1.0 μm时GeSe基太阳电池的Voc、Jsc、FF和η分别为675 V、39.58 mA/cm2、77.82%和20.80%。因此GeSe吸收层的厚度可以取为1.0 μm。

吸收层掺杂浓度在决定器件性能方面发挥重要作用。图5是GeSe吸收层掺杂浓度从1013cm-3增加到1020cm-3时GeSe基太阳电池的性能参数变化情况。由图5可以看出，随着吸收层掺杂浓度的增加，Voc、FF和η都能得到明显的提升，而Jsc先增加后降低。吸收层掺杂浓度增加时，能够增强太阳电池的内建电场，改善载流子的传输，有利于提升太阳电池的Voc和FF。而随着吸收层掺杂浓度的增加，载流子的散射作用增强，太阳电池的Jsc会降低。当吸收层掺杂浓度增加到1020cm-3时，GeSe基太阳电池的Voc、FF和η分别能够达到918 mV、87.33%和27.59%。

2.3 吸收层中体缺陷对太阳电池性能的影响

吸收层中的体缺陷充当载流子的复合中心，并且还会降低载流子的寿命和迁移率，因此高的体缺陷密度对太阳电池的性能有严重的影响。图6是GeSe吸收层中体缺陷密度从1015cm-3增加到1020cm-3时太阳电池的电流密度-电压曲线。由图6可以看出，当体缺陷密度超过1016cm-3时，器件性能严重衰退，说明缺陷引起的SRH(Shockley-Read-Hall)复合过程在器件转换效率下降方面发挥非常重要的作用。

3 结 论

本文构筑并模拟研究了结构为金属栅线/AZO/i-ZnO/CdS/GeSe/Mo/玻璃的薄膜太阳电池。优化CdS缓冲层厚度为0.06 μm时，太阳电池的转换效率为20.29%，接着优化CdS缓冲层的掺杂浓度为1018cm-3，此时太阳电池的转换效率为20.70%。继续优化GeSe吸收层厚度为1.0 μm时，太阳电池的转换效率为20.80%，然后优化GeSe吸收层掺杂浓度为1020cm-3，此时太阳电池的转换效率高达27.59%。最后还模拟了GeSe吸收层中体缺陷密度对器件性能的影响，发现高的体缺陷密度严重冲击器件的光伏性能。这些结果表明GeSe基薄膜太阳电池有成为高效光伏器件的潜力。