硒化锑薄膜太阳电池的模拟与结构优化研究.docx

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1、硒化铺薄膜太阳电池的模拟与结构优化研究国家自然科学基金（批准号：51772049）、吉林省科技发展计划（批准号：20170520159JH）和吉林省教育厅“十三五”科学技术研究 项目（批准号：JJKH20190705KJ）资助的课题.十通信作者.Email: ZhoUjing 2018 中国物理学会ChineSe Physical Society曹宇1）祝新运1）陈翰博2）王长刚1）张鑫童2）侯秉东2）申明仁1）周静2）tD（现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学）,吉林132012）2）（东北电力大学化学工程学院，吉林132012）（2018年9月21日收到：20

2、18年11月1日收到修改稿）采用wx-AMPS模拟软件对硒化锦（SbzSo3）薄膜太阳电池进行建模仿真，将CdS,ZnO和Sn02的模型应用到SbzSe3太阳电池的电子传输层中.结果显示，应用CdS和ZnO都能实现较高的器件性能，并发现电子传输层电子亲和势（Xe-ET1.）的变化能够调节Sb2Se3太阳电池内部的电场分布，是影响器件性能的关键参数之一.过高或者过低的Xe-ET1.都会使电池的填充因子降低，导致电池性能劣化.当Xe-ET1.为4.2eV时，厚度为0.6U1.n的SbzSe3太阳电池取得了最优的7.87$的转换效率.应用优化好的器件模型，在不考虑SbzSe3层缺陷态的理想情况下，厚

3、度为3m的SbzSe3太阳电池的转换效率可以达到16.55%（短路电流密度Jc=34.88mAcm22开路电压VC=O.59V、填充因子FF=80.40%）.以上模拟结果表明，Sb2Se3薄膜太阳电池在简单的器件结构下就能够获得优异的光电性能，具有较高的应用潜力.关键词：硒化镀，电子传输层，薄膜太阳电池，Wx-AMPSPACS:73.61.-r,88.40.hj,82.20.WtDOI:10.7498aps.67.201817451引言薄膜太阳电池因其原材料消耗少、制备工艺简单、柔性可卷曲等优势，近年来得到了越来越多的关注1.其中，铜锢钱硒薄膜太阳电池、碎化镉薄膜太阳电池已经产业化生产，钙钛矿

4、薄膜太阳电池的实验室效率已经可以比肩晶体硅太阳电池2-4.但铜锢钱硒薄膜中锢、钱属于稀有元素，确化镉薄膜中锌元素的毒性较大，而钙钛矿薄膜的稳定性有待提高，这些都限制了薄膜太阳电池的进一步发展.因此，研发一种原材料丰富无毒、制备方法简单、稳定的吸光层薄膜材料成为了发展薄膜太阳电池的重点.硒化锦（SbzSe3）薄膜是一种光电性能优异的吸光层材料，材料当中的睇元素和硒元素地壳储备丰富、绿色低毒.SbzSeg为一维带状结构的直接带隙半导体材料，光学带隙约为1.1.eV15,6）.目前，$62063薄膜已采用旋涂技术7,8、磁控溅射技术9,101、连续离子层吸附与反应技术11、高真空蒸发技术12、快速热

5、蒸发技术13-17等方法制备，将其应用于太阳电池吸光层可以获得高于20%的理论转换效率，极具发展潜力18.在SbzSeg电池的结构优化中，多种薄膜材料被应用到电子传输层中.2017年，Tang课题组15将氧化锌（ZnO）电子传输层引入到SbzSe3太阳电池中，发现Zno电子传输层的生长取向对器件性能会产生很大影响，并以透明导电薄膜ZnOSbzSe3Au的器件结构获得了6%的转换效率.Chen等16以同样的器件结构，将二氧化钛作为电子传输层，获得了转换效率为5.6%的SbzSeg太阳电池.2018年，1.U等177将二氧化锡（SnO2）电子传输层也应用到了Sb2Se3太阳电池中，但所得的开路电压

6、（VOC）和填充因子(C)1994-2022ChinaAcademicJourna1.E1.ectronicPub1.ishingHouse.A1.1.rightsreserved,(FF)均较小，只获得了3.05%的转换效率；同年， WCn等19在改进Sb2Se3薄膜制备工艺的基础上， 采用硫化镉(CdS)作为电子传输层，获得了 7. 6% 的认证效率，为迄今认证的最高转换效率.从上述 研究结果中可以看出，Sb2Se3薄膜太阳电池电子传 输层有很多选择，哪种电子传输层更适合于Sb2Se3 电池还有待考量.此外，目前对SbZSe3薄膜太阳电 池的研究多集中在实验方面，在建模仿真方面的 研究还较

7、少.基于此，本文采用太阳电池模拟软件 WX- AMPS对Sb2 S/薄膜太阳电池进行建模仿真， 分析了不同电子传输层SbzSeg太阳电池的器件性 能，重点研究了电子传输层的电子亲和势(X1.ETL) 对电池的影响，最后提出了进一步提高SbZSe3太 阳电池转换效率的技术路线.2器件结构与模拟参数本文采用的WX-AMPS模拟软件是一维微电与 光电器件模拟软件AMPSTD的升级版本，该软件 通过求解泊松方程和电子空穴连续性方程获得太 阳电池的特性参数.运行软件计算所建立的器件模 型后，不仅能够获得太阳电池的电流-电压(JT) 曲线和量子效率曲线，还可以得到能带、电场、空 穴浓度、电子浓度、载流子产

8、生率和截流子复合 率等在电池内部的分布情况，是从理论上深入研 究太阳电池光电特性的有力工具20, 21.本文采用 SbzSe3太阳电池结构为透明导电薄膜/电子传输 层/SbzSe3吸光层/金属电极.如图1所示，透明导 电薄膜选用FTO薄膜、电子传输层选用CdS薄膜、 Zno薄膜和Sn02薄膜三种,厚度固定在20 nm.电极采用金(AU)电极.Sb2Se3太阳电池各功能层的能带图如图2所示.根据WCn等19对SbzSca薄膜 的深能级瞬态谱测试确定了材料的缺陷态信息，使 模型的光电性能更接近实际器件.模拟中采用的材 料参数如表1所列22-261.图1SbzSe3太阳电池的结构示意图-4.4eVF

9、ig.1 .Schematic of the Sb2Se3 so1.ar cell structure.4.15eV图2Sb2Se3太阳电池各功能层的能带图Fig.2. Schematic energy-1.evel diagram of each functional layers in Sb2Se3 solar cell.表1SbzSeg太阳电池的材料参数Tab1.e1.Materia1.parametersoftheSbzSegso1.arce1.1.s.参数Cds22ZnO22Sn02123Sb2Seg24-26介电常数109918电子亲和势/eV4.24.44.54.15电子迁移率/

10、cm2,y-1.S-1001010015空穴迁移率/cm1.V-1.sT252.5255.1受主掺杂浓度/cm3001X1013施主掺杂浓度cm-31X10181X10181X10180禁带宽度/eV2.43.33.61.1导带有效状态密度cm-32.2X10182.2X10182.2X10184.8X1018价带有效状态密度cm-31.8X10191.8X10191.810194.8X1018物理学报AC1.aPhys.Sin.Voi.67,No.24(2018)247301(C)1994-2022ChinaAcademicJourna1.E1.ectronicPub1.ishingHous

11、e.Arightsreserved.kinet3模拟结果与讨论3.1 不同电子传输层的应用三种具有不同电子传输层Sb2S3薄膜太阳电池的JT曲线如图3(a)所示.根据曲线计算出的性能参数总结在表2中，电池厚度为0.6u.其中具有SnO2电子传输层的SbzSeg太阳电池的V。C和短路电流密度(JSC)都较高，但由于FF最低，只有52.04以使其得到了最低的6.62%的转换效率.应用CdS作为电子传输层的SbzSea太阳电池，虽然VoC和JSC略低，但FF(61.55%)是最高的，可以得到7.35%的转换效率.而当ZnO作为电子传输层时，Sb2Se3太阳电池的各项性能都能保持在较高水平，获得了最高

12、的7.48%的转换效率.图3(b)为不同电子传输层Sb2Sc3太阳电池的量子效率图.如图3(b)所示，三个电池的长波晌应很相近，短波响应则有所不同，其中应用CdS的SbzSe3太阳电池的短波响应最低，这是因为CdS的带隙最窄，造成电压/Vzb。-图3不同电子传输层Sb2Se3太阳电池的(a)JT特性和量子效率Fig.3. The(a)J-V characteristic and(b)quantum efficiency of Sb2 Seg so1.ar cells with different electron transport layers.W%却电子传输层会吸收较多的短波光子，这些光子

13、无法形成电流，因此使得电池的短波响应降低.这种现象在实验中也得到了印证，Tang课题组19所制备的具有CdS电子传输层的SbzSe3太阳电池，其450nm处只有约60%的光谱响应.而使用Sn02和ZnO作为电子传输层，电池在450nm处均可以获得约75%的光谱响应15,17.表2不同电子传输层Sb2Se3太阳电池的性能参数Tab1.e2.Photovo1.taicperformanceofSbzSegso1.arce1.1.swithdifferente1.ectrontransport1.ayers.电子传输层VoC/VJsc/mAcm-2FF%转换效率/%CdS0.4725.2861.55

14、7.35ZnO0.4725.9161.217.48Sn020.4925.7552.046.623.2 XeET1.对器件性能的影响以ZnO模型为基础，改变Xe-ET1.从3.8CV提高到4.8eV,以研究电子传输层不同能带结构对Sb2Se3太阳电池的影响.不同Xe-ET1.的Sb2Se3太阳电池的能带结构如图4(a)所示.由于FTO的功函数不变，这使得SbzSea太阳电池电子传输层的能带在XeYT1.低于4.4eV时向上弯曲，而在Xe-ET1.高于4.4eV时向下弯曲.同时,Xe-ET1.的变化也会影响SbzSe3层的能带结构，X6EI1.越高，Sb2Se3层能带的变化就越平缓.图4(b)所示

15、为不同Xe-ET1.的SbzSeg层的载流子复合率分布.对于SbzSe3层前端，当Xe-ET1.为3.8eV时，复合率较高，随着Xe-ET1.的增加，复合率逐渐下降，而当Xe-ET1.提高至J4.8eV时，复合率又大幅增加.对于SbzSea层后端，当XeET1.高于4.6eV时，其复合率随之上升.图4(c)为不同Xe-ET1.的Sb?Seg太阳电池的电场分布图.我们发现，当Xe-ET1.较低时，会在电子传输层和SbzSe3吸光层的界面处产生一定的势垒，而当*69大于4.4eV后，势垒会消失，但同时在电子传输层产生了一个相反的电场.从图4(d)所示不同Xe-ET1.的SbZSe3太阳电池的自由电子浓度分布可以看出，低Xe-ET1.产生的势垒会阻碍光生载流子的传输，在界面处形成自由电子的堆积，而Xe-ET1.越低，界面处堆积的自由电子就越多，导致其复合增多，因此随着X。-ET1.由4.4eV降低到3.8eV,S1.Se3层前端的载流子