單色光電流-電壓特性測試在碲化鎘太陽電池研究中應(yīng)用

王文武, 蔣亞男, 張靜全

(四川大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610064)

0 引 言

單色光電流-電壓(I-U)特性測試是指在特定強(qiáng)度、波長的單色光的測試條件下，太陽電池的電壓、電流等器件性能測試[1-4]，其不僅能反映太陽電池在不同波長下的器件性能，還可以得到不同波長下的太陽電池的收集效率[5-7]。

太陽電池的收集效率[8]定義為光生電流JL與短路電流JL0的比值。在CdTe薄膜太陽電池中，收集損失主要是不同器件結(jié)構(gòu)的光生載流子的輸運(yùn)導(dǎo)致。正如Hegedus等[9]提出的，太陽電池的收集效率可以通過兩個(gè)不同光照強(qiáng)度的J-U計(jì)算得到。

單色光I-U測試有助于分析太陽電池器件結(jié)構(gòu)與其在不同波長范圍的器件性能的相關(guān)關(guān)系，更有利于深入研究太陽電池器件的構(gòu)造與其對不同波段太陽光響應(yīng)的關(guān)系，從而為進(jìn)一步提高電池器件性能提供理論依據(jù)。同時(shí)單色光I-U測試及收集效率的計(jì)算是結(jié)合半導(dǎo)體物理與太陽電池器件及器件物理方面知識(shí)，能夠更好地促進(jìn)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生更深入地了解器件物理及半導(dǎo)體相關(guān)理論。

本文選取實(shí)驗(yàn)室自主研制的不同結(jié)構(gòu)的CdTe太陽電池，在不同波長下對其進(jìn)行單色光I-U測試，然后根據(jù)測試結(jié)果計(jì)算出電池在不同波段下的收集效率，進(jìn)一步分析太陽電池器件性能與其結(jié)構(gòu)之間關(guān)系，為研制更高具有轉(zhuǎn)校效率的太陽電池提供理論依據(jù)。

1 測試設(shè)備

單色光I-U測試系統(tǒng)主要由：吉時(shí)利的2400型數(shù)字源表、電腦及單色光源等部分組成。

1.1 單色光源

采用美國Thorlabs Inc.制造的LED陣列光源，中心波長分別為470、525、780和850 nm，其發(fā)射譜如圖1所示。

通過不同波長的的LED陣列光源發(fā)射譜計(jì)算了其對應(yīng)的半高寬，其結(jié)果如圖2所示。470、525、780和850 nm的LED陣列光源的半高寬分別為23.5、29.4、29.1和31.3 nm。

圖1 歸一化后LED陣列光源的發(fā)射譜

1.2 光源光強(qiáng)標(biāo)定

以上4種LED陣列光源需要測出其光強(qiáng)隨距離變化的曲線，測試時(shí)使用的該波段內(nèi)的光強(qiáng)校準(zhǔn)到AM 1.5 G對應(yīng)波段的光強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備為美國Solar Light，PMA2100紫外線照度計(jì)，精確度可達(dá)0.5%。實(shí)測的每個(gè)波段LED陣列光源的光強(qiáng)隨距離變化曲線見圖3。可見，每個(gè)波段的光強(qiáng)都隨距離的增大而單調(diào)降低，其中850 nm波段的光強(qiáng)最強(qiáng)。

圖4為各個(gè)波段LED光源光強(qiáng)實(shí)際測量的光強(qiáng)距離曲線平滑擬合后的圖。通過擬合后，可以得到每個(gè)曲線不同距離對應(yīng)的光強(qiáng)，便于計(jì)算不同輻照強(qiáng)度對應(yīng)的光強(qiáng)距離分布。

(a) 470 nm

(b) 525 nm

(c) 780 nm

圖2 不同LED陣列光源的半高寬計(jì)算

圖3 LED陣列光源的光強(qiáng)分布圖

1.3 光源光強(qiáng)測量

實(shí)際單色光I-U測試過程中主要參數(shù)分別設(shè)定如下，掃描電壓-0.05～0.85 V；點(diǎn)數(shù)150；限制電流3 mA。以AM1.5G對應(yīng)波段單色光強(qiáng)為標(biāo)光強(qiáng)，分別求出標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)0.9、0.8、0.7和0.6倍時(shí)的對應(yīng)距離，表1為不同單色光強(qiáng)光源距觸點(diǎn)的實(shí)際距離與強(qiáng)度關(guān)系。

圖4 LED陣列光源的光強(qiáng)距離模擬圖

在不同光強(qiáng)下測量電池在不同單色光和一對光強(qiáng)下的單色光I-U曲線，可以計(jì)算可得到對應(yīng)單色光收集效率曲線。

表1 不同單色光強(qiáng)光源距觸點(diǎn)實(shí)際距離與強(qiáng)度關(guān)系 cm

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)中用到的CdTe電池為四川大學(xué)太陽能材料與器件研究所制備，CdTe太陽電池的基本結(jié)構(gòu)為glass/FTO/SnO2/CdS/CdTe/ZnTe:Cu/Au[10-13]。

表2，3是實(shí)驗(yàn)測試過程中用到的電池的器件結(jié)構(gòu)和其對應(yīng)的光I-U主要參數(shù)。

表2 不同結(jié)構(gòu)的CdTe太陽電池

表3 不同結(jié)構(gòu)的CdTe太陽電池的I-U參數(shù)

正如Hegedus等[5]提出的，太陽電池的收集效率可以通過兩個(gè)不同光照強(qiáng)度的J-U計(jì)算得到：

(1)

測試了不同波長下不同光照強(qiáng)度的電流-電壓曲線，然后計(jì)算出太陽電池的收集效率。圖5為不同結(jié)構(gòu)不同波段單色光下(470，525，780和850 nm)的收集效率和單色光的CE-Voltage圖。太陽電池中的收集效率分為準(zhǔn)中性區(qū)(QNR)和空間電荷區(qū)(SCR)兩部分[9，14]。在SCR中，收集效率與前端的勢壘高度、耗盡區(qū)寬度以及窗口層和CdTe間的界面態(tài)密度有關(guān)。而在QNR中，收集效率主要和背部復(fù)合相關(guān)。

(a)470 nm(b) 525 nm(c) 780 nm(d) 850 nm

圖5 CdTe太陽電池單色光下的CE-Voltage圖

從圖5可看出，具有背接觸層的器件S1和S2，其470和525 nm的單色光收集效率在大的偏壓下只降低不到10%，尤其是具有高阻層的S1結(jié)構(gòu)絕對減少量都更低。在去掉背接觸層后，器件S3和S4在小偏壓下和前兩種結(jié)構(gòu)具有同樣高的收集效率，在UOC附近下降明顯，但有HRT的復(fù)合窗口層的收集效率要稍微高于只有CdS的窗口層。在長波段收集效率圖5(c)和(d)中可以看出，S1結(jié)構(gòu)的780 nm波段收集效率優(yōu)于其他6種結(jié)構(gòu)；在帶隙附近850 nm波段的收集效率曲線中，S1結(jié)構(gòu)未表現(xiàn)出這種差異，反而沒有背接觸層和有高阻層的CdS/CdTe電池具有更高的收集效率。從以上幾種結(jié)構(gòu)對比可以得出，高品質(zhì)的高阻層可以有效提高器件短波段的收集效率，并適當(dāng)提高長波段的收集效率；背接觸層能使器件背部形成良好的歐姆接觸并有效提高器件短波單色光在大偏壓下的收集效率，皆利于提高器件性能。

對于無CdS層的器件S5和S6，其4個(gè)波段的單色光收集效率在小偏壓下降低超過30%，尤其是無背接觸層的S6結(jié)構(gòu)下降更陡峭，在UOC附近降低更加顯著。當(dāng)器件未能形成穩(wěn)定的p/n結(jié)時(shí)，如S7結(jié)構(gòu)，器件單色光下的收集效率降低的有些夸張，不具備實(shí)際意義，但這種陡峭的降低趨勢是器件實(shí)際收集效率差的表現(xiàn)。無CdS層的CdTe電池的收集效率在低偏壓下開始明顯下降，這一現(xiàn)象主要是由于界面態(tài)引起的。穩(wěn)定的CdS為六方相結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)比SnO2和FTO更接近CdTe，與CdTe立方相的晶格失配度只有9.8%，是幾種合適窗口層中最低的，但這仍可以產(chǎn)生非常高的界面缺陷態(tài)密度；但在CdS在CdTe的制備高溫?zé)嵬嘶疬^程中發(fā)生擴(kuò)散，部分CdS被消耗生成帶隙更低的CdTexS1-x三元相[15]，降低了CdS窗口層厚度并增加藍(lán)光吸收，有利于器件整體性能的提高，也使得CdS和CdTe之間的界面缺陷態(tài)密有效降低并進(jìn)一步減少界面復(fù)合。

3 結(jié) 語

單色光I-U能夠很好地給出太陽電池在各個(gè)波長下的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)一步計(jì)算出太陽電池的不同波長的收集效率，可以進(jìn)一步得到電池不同膜層對器件性能的影響，進(jìn)而促進(jìn)太陽電池器件的工藝優(yōu)化。以CdTe薄膜太陽電池為例，可以通過不同結(jié)構(gòu)的電池單色光I-U測試和收集效率的計(jì)算，獲得各個(gè)膜層對整個(gè)器件性能的影響，從而為進(jìn)一步優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)和制備工藝提供理論依據(jù)。