刷新記錄！單晶碲化鎘太陽能電池實現超過1V的開路電壓和17%的光電轉化效率

近日，美國亞利桑那州立大學Zhao Yuan等利用CdTe/MgCdTe雙層異質結構和重摻雜p-型傳輸層（α-Si:H或α-SiC_y:H），將碲化鎘（CdTe）太陽能電池的開路電壓突破1 V，成功研制出了開路電壓高達1.096V，而效率同時為17%的高性能CdTe單晶太陽能電池。

前言

高效Si和GaAs太陽能電池的效率已被證明能夠達到精細平衡極限的87%（肖克利-奎塞爾模型）。與Si和GaAs太陽能電池相比，CdTe太陽能電池具有近似最優的光學帶隙，并且在光學帶邊附近的吸收系數高，因而具有成為性能優異的光伏材料的潛力。然而，由于存在過度的非輻射復合的問題且利于空穴收集的p-型接觸層很難制備，目前效率最高的CdTe太陽能電池僅能達到精細平衡極限的67%。不同于Si和GaAs太陽能電池，目前效率最高的CdTe太陽能電池一方面為多晶結構，另一方面并沒有有效的寬帶隙界面材料來提供載流子約束和降低界面復合速率；因此，其開路電壓（V_oc）僅為0.876V（理論精細平衡極限為1.23V），這也是其光電效率過低的主要原因。

高的準費米能級分裂是獲得高V_oc的先決條件，因而要求光伏體系具有長的體載流子壽命和低的界面復合速率（IRV）。但是，目前多晶CdTe薄膜載流子的典型壽命僅為幾納秒，加上p-型接觸區摻雜的困難，限制了其準費米能級的分裂，其最高可獲得的V_oc僅為0.936V。單晶CdTe光伏材料可預測的V_oc為1.026V，但是其實際最高的V_oc僅為0.910V；并且這個V_oc記錄已經保持了幾十年，直到最近才實現了超過1V的電壓。

如果光伏材料具有優異的體載流子壽命和低的IRV(interface recombination velocity)，光伏材料的高化學電位（即準費米能級分裂）必然能夠以電動勢的形式在電極處得到有效提取，從而獲得高V_oc。對傳統的多晶CdTe薄膜太陽能電池而言，通常采用高摻雜的n-型CdS作為有效的電子收集電極，而采用低摻雜的p-型CdTe同時作為吸光材料和空穴傳輸層；后者導致了電池的內建電壓（V_bi）小于吸光材料的準費米能級分裂，于是化學電位不能完全轉化為電動勢。

本文解決了獲得高V_oc和高效率的CdTe太陽能電池面臨的三個挑戰：長的體載流子壽命、低的IRV和重摻雜的p-型傳輸層。首先設計了雙層異質結構電池，在此基礎上采用了外延法生長單晶CdTe薄膜并應用了新型的鈍化層和p-型傳輸層。成功得到了Voc超過1V并且效率大幅提升的單晶CdTe太陽能電池。

吸光層質量和界面優化

通過分子束外延法沉積高質量CdTe層和CdTe/MgCdTe雙層異質結構（DH），從而獲得了長載流子壽命。一方面使層與層之間接觸良好、缺陷密度低；另一方面，DH設計有效地約束了CdTe中的少數載流子、起到了鈍化活性層邊界的作用。在減小IRV方面，DH設計發揮了關鍵作用：不僅有效地約束了活性層中的少數載流子；而且與活性層形成了近似理想的接觸，有效地消除了載流子的界面復合。

圖1 載流子壽命和界面復合速率

圖1（a）、（b）分別表示了載流子的壽命和IRV。從圖（a）可以看出，4個不同活性層厚度的器件的有效載流子壽命均超過2 μs，證明了高質量的活性層和界面接觸。最長的載流子壽命達到了3.6 μs，遠遠超過先前的CdTe太陽能電池。將載流子的非輻射壽命的倒數與活性層厚度的倒數擬合（圖1（b）），得到30nm厚和22nm厚MgCdTe鈍化層的有效IRV分別為1.2 cm s^-1和1.4 cm s^-1，這兩個值與GaAs太陽能電池的最大值相當。

CdTe太陽能電池設計

??? 采用雙層MgCdTe異質結構解決了CdTe太陽能電池p-型摻雜的難題，MgCdTe鈍化層有效地束縛了CdTe中的少數載流子，從而降低了電池對電極接觸的要求，拓寬了電極的選擇范圍。圖2（a）為單電池結構，其中P-型接觸層或者為α-Si:H或者為α-SiC:H；圖2（b）、（c）分別為平衡狀態下和開路狀態下的能帶圖。頂部MgCdTe層起到了鈍化層和選擇性傳遞空穴的作用；底部的MgCdTe層與活性層的價帶差值較大，且通過n型重摻雜，起到了選擇性通過電子的作用。P-型α-Si:H層或者α-SiC:H層的價帶設計有效地防止了電池過大的V_oc損耗。

圖2 CdTe太陽能電池結構和能帶圖

在接下來的部分，重點討論了兩種器件設計下的光伏特性——設計A：8 nm α–SiC:H+4 nm α–Si:H空穴接觸層/10 nm 未摻雜MgCdTe p-型傳輸層/1 μm In摻雜的 n-型CdTe吸光層/500 nm n-型CdTe接觸層/500 nm n-型InSb緩沖層/500μm n-型InSb基底；設計B：8 nm α–Si:H空穴接觸層/10 nm 未摻雜MgCdTe p-型傳輸層/1.4 μm In摻雜的 n-型CdTe吸光層/500 nm n-型CdTe接觸層/500 nm n-型InSb緩沖層/500μm n-型InSb基底。圖2（d）為B電池在平衡狀態下的能帶圖。

太陽能電池特性

在該部分首先對空穴傳輸層、接觸層的組分和厚度進行了優化，圖3（a）表明了空穴接觸層組分和V_oc的關系。由于ITO的功函數較高（4.8 eV），有利于空穴傳輸，因而不含空穴接觸層的器件本身具有一定的V_oc。插入重摻雜的α–SiC:H接觸層后，器件的V_oc大大提高，這是由于內建電場的增加引起的。在此基礎上，增加MgCdTe空穴傳輸層的厚度和Mg的總含量，能夠更有效地約束CdTe吸光層中的少數載流子（電子，相對于p-型接觸而言），抑制其熱電子發射和遂穿效應，從而進一步增加V_oc。當采用α–SiC:H作為空穴接觸層，電池的V_oc 高達1.096 V，這是因為α–SiC:H的帶隙更寬，同時與CdTe的HOMO能級更接近。V_oc=1.096V是單晶CdTe太陽能電池目前報道的最高值，非常接近其理論極限值1.17 V。

但是，由于填充因子（FF）的制約，本文所述的高V_oc電池并沒有獲得高效率。圖3（b）顯示了電池的V_oc與FF的關系，從中可以得出的結論是：α–SiC:H的摻雜濃度低于α–Si:H，不利于空穴在α–SiC:H與ITO層和CdTe吸光層的傳輸，從而增加了器件串聯電阻，使FF降低。

圖 3 CdTe太陽能電池的開路電壓與空穴傳輸層和填充因子的關系

圖4（a）和（b）顯示了美國可再生能源實驗室（NREL）驗證的最高器件效率的電流-電壓曲線和外量子效率曲線。驗證的最高效率和V_oc 分別為14.66%±1.4%和0.9954V±0.3V。以此結果標定，在實驗室獲得的最高光能轉化效率為17.0%，其中V_oc=1.036V，J_sc=22.3mA cm^-2，FF=73.6%；最大Voc為1.096V。作者將同時明顯增加的V_oc和光能轉化效率歸結為大大提高的體載流子壽命和大大減小的IRV，通過采用MgCdTe鈍化/傳輸層和重摻雜的α–SiC:H和α–Si:H p-型空穴接觸層有效地達到了這些效果。同時提高的J_sc主要來源于短波長區（低于600 nm）更高的量子效率。

圖4 NREL驗證的最高效率CdTe太陽能電池的電流-電壓曲線和外量子效率曲線

最后，作者模擬了各種光子損耗途徑對J_sc損耗的貢獻，結果顯示在圖5（b）和（c）中。這些損耗主要有反射損耗、附加的光子吸收損耗以及傳輸損耗，表明了J_sc還有20%的提升空間，電池的光能轉化效率還可以進一步提高。

圖5 實驗室所得效率最高的CdTe太陽能電池的電流-電壓曲線和模擬的光生電流曲線

一句話總結

本文提出的CdTe/MgCdTe雙異質結構有效地解決了CdTe太陽能電池P-型摻雜的困難性，為p-型接觸層打開了選擇空間。

該工作于2016年5月發表于 Nature Energy，原文鏈接：Monocrystalline CdTe solar cells with open-circuit voltage over 1?V and efficiency of 17%

該文獻解讀由材料人新能源學術小組Nicholas供稿，參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”，若想參與新能源文獻解讀和文獻匯總、新能源知識科普和深度挖掘新能源學術產業信息，請加qq 2728811768。

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