神助攻！磷元素讓你的太陽能電池強勁起來

材料牛注：開路電壓是影響碲化鎘太陽能電池效率的重要因素之一，然而經過數十年的優化，開路電壓卻維持在840-880mV不變。現在美國國家可再生能源實驗室和田納西大學的研究人員合作，在碲化鎘中摻雜磷元素，成功將電池的開路電壓提高至1V以上。快來看看是怎么回事吧！

一般碲化鎘薄膜太陽能電池結構示意圖

為了實現太陽能光伏發電與化石燃料電網平價，發展高性價比的太陽能電池就變得勢在必行。過去的十年中，由于碲化鎘（CdTe）薄膜光伏電池加工成本底以及其效率高達22%等優點，已成為多晶硅電池潛在的競爭者。同時理論計算表明，在無需任何電池結構或加工工藝改進的情況下，CdTe太陽能電池的效率可達到24-25％。

其中，太陽能電池的效率是由開路電壓，短路電流密度以及填充因子這三個參數的組合計算得到。CdTe光伏電池三個參數的理論極限值分別為：開路電壓約1.2V，短路電流密度約31mA/cm²，以及填充因子約90％。有記錄表明，CdTe太陽能電池的短路電流密度已接近理論極限，其填充因子也達到很高的水平。然而經過數十年的優化，其開路電壓仍維持在840-880mV不變，這遠低于理論極限值。因此，要達到最大的理論效率值，顯然要在提高開路電壓方面做出改進。

CdTe電池開路電流的限制主要源于其受主密度低和少數載流子壽命短的缺點。在傳統的研究和工業制造中，使用氯化鎘（CdCl₂）使碲化鎘層轉換成p型半導體。但是，經過CdCl₂處理后的受主密度在10E¹³–10E¹⁴cm^?3量級內，少數載流子壽命為幾百皮秒。為了實現電池開路電壓大于1V，受主密度和少數載流子壽命必須同時增加兩個數量級，分別達到10E¹⁶–10E¹⁷cm^?3 以及約50ns或更高。這表明注重材料本身的品質是非常必要的。

這一局限性被認為是由于經過CdCl₂處理之后導致材料中出現了缺陷化學里的補償效應所引起的。在處理過程中，Cl原子替代CdTe中的Te原子并作為施主原子。但當有大量的鎘空位存在時，氯取代基會形成鎘空位缺陷復合體。該復合體是一種淺能級受主。這些缺陷復合體的量應明顯高于氯取代基的量，以至于使CdTe成為良好的p型半導體。然而加入過多的氯原子使得雙缺陷出現的概率提升，這導致了一定程度上摻雜效果的喪失。其結果是，實驗獲得的最高受主密度大約在10E¹⁴–10E¹⁵cm^?3范圍內。

與標準流程不同的是，華盛頓州立大學的Kelvin Lynn教授以及Tursun Ablekim等利用磷作為摻雜劑。在這種情況下，磷原子代替碲原子并作為受主原子。當然，磷原子也可以在鎘位點處形成補償缺陷或鎘空位缺陷復合體。這兩種缺陷都是施主型雜質原子缺陷，其可以中和磷原子的摻雜效果。晶體生長過程中，在原料中摻雜大量的磷可能會導致摻雜團簇，以至于無法發揮磷原子的摻雜作用。所以在結晶時嚴格控制磷的總量及化學計量（如制備非化學計量比的富鎘或富碲的條件下）是獲得具有高受主雜質密度以及長壽命少數載流子的高品質CdTe的關鍵。

圖文解讀

最后，在與國家可再生能源實驗室和田納西大學最近的合作中，Kelvin Lynn教授證實：使用摻雜磷的單晶CdTe制備太陽能電池其開路電壓可超過1V（見圖1）

圖1.磷摻雜碲化鎘（CdTe）光伏電池的電流密度與電壓(V_oc)關系的曲線

在晶體生長和后期處理過程中嚴格控制條件，可使得磷摻雜晶體的受主密度成功提升至10E¹⁶–10E¹⁷cm^?3范圍內，同時少數載流子壽命延長至50-400ns之間。由這些數值得出的高開路電壓理論值，甚至可以和砷化鎵相媲美（見圖2）。

圖2.碲化鎘（CdTe）樣本的受主壽命與受體密度的雙對數曲線

Kelvin Lynn教授表示：“我們使用厚度為0.8mm的塊狀CdTe單晶體片作為概念驗證樣本，證實該太陽能電池能實現開路電壓大于1V。為了擴大我們的研究規模以實現商業化生產的目標，我們未來將調查研究以摻雜磷的晶體為原料所沉積薄膜的潛在用途。”

原文鏈接：Solar cells based on cadmium telluride with an open-circuit voltage greater than 1V

本文由編輯部封蕾供稿 ? ?李全編譯 ? ?黃超審核