硫化锑薄膜制备及其光伏器件性能研究

发布时间：2020-08-25 03:49

【摘要】：寻找性能优良的光伏材料和优化太阳能电池性能对光伏产业发展具有重要意义。硫化锑(Sb_2S_3)是一种价格低廉、环境友好、物相单一的半导体光电材料,带隙为1.73 eV,吸光系数达10~5 cm~(-1),其薄膜太阳能电池具有巨大的应用潜力。同时,在叠层结构中,Sb_2S_3的带隙与硅电池完美匹配,有利于促进下一代硅电池的发展。本课题致力于发展高效稳定的Sb_2S_3薄膜太阳能电池,围绕薄膜沉积工艺、背场优化、界面外延、缺陷复合、合金化及叠层结构等方面展开研究。本论文采用快速热蒸发法制备出平整致密且高结晶的Sb_2S_3薄膜,并对薄膜的基本物理参数进行测试和分析,以此指导器件性能优化。Sb_2S_3太阳能电池通常采用敏化结构和有机空穴传输层,价格昂贵且稳定性较差,本论文制备全无机平面异质结TiO_2/Sb_2S_3薄膜太阳能电池,同时设计了硒气氛退火工艺解决Sb_2S_3薄膜掺杂浓度低和接触势垒高的问题。处理后的器件的串联电阻R_s、品质因子A、反向饱和电流密度J_0明显减小,并且掺杂浓度达到9.3×10~(15) cm~(-3),元素表征和物理测试表明硒元素在薄膜内形成掺杂抑制了缺陷复合,在表面形成合金降低背接触势垒。Sb_2S_3电池最终获得3.2%的转换效率,并且具有很高的稳定性。在未封装情况下光照400小时或在空气中存放6个月,器件效率保持在95%以上。界面缺陷复合、一维传输特性和高反射损耗是限制Sb_2S_3薄膜电池性能的主要原因,针对这些问题,本论文发展了一项界面准外延的生长策略,通过调控TiO_2的晶面和氧空位,首次实现了由衬底诱导外延生长出竖直取向的Sb_2S_3薄膜。TiO_2/Sb_2S_3界面处的TEM晶格衍射花样重合,证明了薄膜异质外延的特征;并且Sb_2S_3每一颗晶粒从衬底上独立生长,晶粒达数微米,薄膜以[221]取向为主,电荷实现了在分子链内传输。系统的物理测试表明外延器件的PN结界面质量明显提高,界面复合和体缺陷得到抑制,开路电压(V_(OC))从0.49 V增加到0.65 V。另外,本文通过光学模拟指导晶粒尺寸的优化,3.2μm晶粒的Sb_2S_3薄膜具有最强的陷光效应,光吸收大幅增强,短路电流密度(J_(SC))提升约21%,最终Sb_2S_3全无机薄膜电池的效率达到5.4%。为了平衡器件的V_(OC)和J_(SC)进一步提升器件性能,在Sb_2S_3薄膜中引入Se元素调节带隙,Se的含量需要精确的控制。本论文设计了非对称性的双源近空间蒸发,首次制备出高通量的Sb_2(Se_xS_(1-x))_3合金薄膜库,并将其应用于光伏器件阵列。系统的表征证明合金薄膜在一个维度上成分连续渐变,Se含量x值实现了从0.09到0.84的线性变化,带隙从1.66 eV减小到1.2 eV。在厚度方向上,薄膜的成分相同,晶粒上下贯通。本文详细地研究了成分对器件性能的影响,结果表明富硒的合金薄膜电池少子寿命更高、缺陷较浅、带阶较小,使得体内复合损失较小。最优组分为Sb_2(Se_(0.68)S_(0.32))_3的富硒器件获得了5.7%的转换效率。最后,本论文探究了Sb_2S_3作为顶电池材料在叠层电池中的应用,设计并制备了Sb_2S_3与PbS量子点的叠层太阳能电池。研究发现激子吸收峰为945 nm的量子点和Sb_2S_3薄膜光谱最为匹配;Sb_2S_3顶电池薄膜的最佳厚度为350 nm;中间层采用1 nm-Au与200 nm的ZnO纳米颗粒层能够有效减小势垒,从而提升器件的V_(OC)和填充因子。最终叠层电池效率达到4.7%,V_(OC)为1.11 V,实现两个子电池的叠加,同时光谱得到有效利用,为进一步与硅电池叠层应用提供了参考。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TM914.4
【图文】：

示意图,半导体PN结,示意图

体特性介于导体与绝缘体之间，电阻率大约在 10-3-108导体和杂质半导体，本征半导体只有极少的电子或空穴非平衡载流子会迅速地复合，在制备太阳能电池器件等）掺杂。很多情况下，半导体会因为自身的材料特，N 型半导体内部的电子浓度较大，P 型半导体的空和正负电极构成。当 P 型和 N 型半导体不接触，各用，空穴或电子自由分布；当两者相互接触后（图 1-1 型半导体扩散，N 型半导体中的电子向 P 型半导体扩处复合。然后，P 型半导体的界面附近区域失去了空穴N 型半导体处剩下正电中心，正负电荷形成了一个由在内建电场的作用下向 P 区漂移，电子会向 N 区漂移多子的扩散和少子的漂移达到平衡时，会在接触的界即形成 PN 结[3]。

示意图,光子吸收,太阳能电池,光照

穴会向 P 区漂移，于是 P 区的电势就高于 N 区，从而形成了光生电动势，在两端电极处就产生了电压，外接负载时就对外做功，形成太阳能发电。然而能量小于禁带宽度的光子无法被吸收利用，通常会透射出去或者发热损失；能量过大的光子能够激发电子进入导带中的更高能级，然后放出声子而跃迁到平衡态，也能贡献光电流，但会损失部分能量。薄膜太阳能电池通常会包含 PN 结，透明电极和背电极。太阳能电池对光的吸收除了受到带隙的限制外，还会受到 PN 结及多层材料的影响[4]。光线被分为以下六个部分（图 1-2（b））：光线 a 是受光面的反射及电极的吸收，这部分光未能照射 PN 结，无法被吸收；光线 b 一般为短波的光，能量较强，能够在电极附近被吸收产生电子空穴对，但与耗尽区的距离较远，通常自身复合，也无法被利用；光线d 的吸收在耗尽区内产生电子空穴对，能够直接被电场分离，产生电压；光线 c 和 e虽然由中性区吸收，但是可以通过扩散作用进入耗尽区，可以被利用；最后部分光线透过了 PN 结而造成损失[5]。由此可见，采用高吸光性能的材料，同时增加耗尽区宽度，减少反射和透射损耗将会有效地利用太阳光，获得高效率的光伏器件。

太阳能电池,等效电路模型

图 1-3 太阳能电池等效电路模型图。根据二极管的特性及电路基本理论可以计算得到 J-V 关系[6]： = 0exp( ( ) ) 1 （1-1）其中，J0为反向饱和电流，q 为电子电量，A 是二极管品质因子，kb是玻尔兹曼常数，T 是绝对温度。为了方便分析和计算相关参数，我们对公式（1-1）进行求微分并简化得到公式（1-2）[7]。d d = ( )1（1-2）从公式（1-1）可以看出，当外加负载处于短路状态时，输出电压 V=0，由于 Rsh较大，此时JSC近似等于光生电流JL[8]。根据对电压的微分可以得到1/Rsh= dJ/dV（V=0）通过短路电流附近的伏安变化率即可计算 Rsh。当器件处于开路状态时，输出电流 J=0，根据公式（1-2）可以得到，Rs=dV/dJ

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