界面调控提高CdTe纳米晶太阳能电池性能研究

发布时间：2020-05-10 18:43

【摘要】：溶液法加工的碲化镉(CdTe)纳米晶太阳能电池由于制备工艺简单、成本低廉、性能稳定,引起了研究人员的高度关注并取得很大的研究进展。CdTe属于直接带隙半导体,禁带宽度为1.45 eV,具有很高的光吸收系数,是理想的太阳能电池材料。当前,随着器件工艺的改善以及结构的优化设计,CdTe纳米晶太阳电池的能量转换效率已经达到10%以上,但是与传统的近空间升华法制备的CdTe太阳能电池相比(通常在14%~17%之间,最高可达22%)仍然有一定的距离。其中,当前纳米晶电池的开路电压过低(通常小于0.7 V)以及短路电流偏小(小于20 mA/cm~2),这些都需要进一步的提升。从器件的角度来说,造成这些问题的主要原因在于碲化镉表面的处理工艺不好以及器件结构的设计有待改进。本论文主要从CdTe界面调控出发,改善载流子的分离和收集效率,最终获得高转换效率的纳米晶太阳电池。论文的主要工作如下:1.首次引入具有高功函数的交联共轭聚合物——硅三苯胺(Si-TPA),作为空穴传输层,实现了载流子的高效分离和收集。所制备倒置结构的CdTe纳米晶电池(ITO/ZnO/CdSe/CdTe/Si-TPA/Au),经优化后,获得器件的短路电流为23.38mA/cm~2,开路电压是0.66 V,填充因子是54.05%,相应的能量转换效率达到8.34%,该效率是文献报导的具有倒置结构的CdTe纳米晶太阳电池的最好水平。同时,我们将Si-TPA应用到另一种结构的纳米晶太阳电池(ITO/ZnO/CdS/CdTe/Si-TPA/Au),也取得了7.28%的高效率,明显高于不采用任何空穴传输层(~5%)或者其它空穴传输层的器件(4%);2.我们首次开发了一种酸性气相表面刻蚀工艺,用于CdTe表面的刻蚀,成功实现了CdTe表面富碲层的制备,降低了碲化镉和金属接触的肖特基势垒。研究发现,我们使用的这种酸性气相刻蚀工艺具有广泛的适应性,无论采用溴甲醇溶液(BM)还是硝酸乙酸混合溶液(NA)均获得很好的效果。其中用NA刻蚀所制备的器件效率达到8.67%,而BM刻蚀的效率也达到8.38%,明显高于不采用任何刻蚀工艺的对比器件(~6%)。值得注意的是,经过刻蚀后制备的CdTe纳米晶电池具有很高的稳定性。在室温且开放环境下放置1个月以上,几乎没有发生衰减,为进一步实现此类器件的商业化应用打下良好的基础。
【图文】：

华南理工大学硕士学位论文太阳光照射在 pn 结太阳能电池上并到达半导体材料，当入射的光子能量(hv)大于活层材料的禁带宽度(Eg)时,得到足够能量的电子将会从半导体材料的价带跃迁到导带，在价带上产生空穴，导带上产生自由电子，形成电子空穴对。如果电子空穴对移动 pn 结内建电场处,在电场力的作用下使得产生的电子-空穴对发生分离，内建电场方向 n 型半导体指向 p 型半导体，所以导致带负电的载流子（电子）向 n 型半导体方向漂,带正电的载流子（空穴）向 p 型半导体方向移动。如图 1-1 b)，空穴被电极的阳极收，而电子被阴极收集。当太阳能电池外接负载时，外电路有电流输出，以上就是太阳池的光生伏特效应的主要内容。

华南理工大学硕士学位论文FF 指的是填充因子定义的是太阳能电池最大输出电压×最大输出电流与开路电压×路电流的比值，FF 体现的是太阳能电池最大功率的输出参数，FF 主要由太阳能电池串联电阻(RS)与并联电阻(RSH)决定。串联电阻越小，并联电阻越大，则填充因子越大现了太阳能电池整体性能的品质。其中，RS与 RSH与材料的缺陷，杂质，载流子浓度面电阻等有关。也就是说，半导体材料薄膜质量越高且元器件的结构越合理，则 RS小且 RSH越大，得到的 FF 便越高，，但始终小于 1。图 1-2 是考虑电池内部的串联和并电阻后，太阳能电池的等效电路图。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4

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