硒化亞鍺異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池模擬研究*

肖友鵬 王懷平 馮林

1) (東華理工大學(xué),核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心,南昌 330013)

2) (東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,南昌 330013)

1 引言

半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)電池因制備過(guò)程較簡(jiǎn)單、材料用量較低、器件轉(zhuǎn)換效率較高,持續(xù)受到光伏界的關(guān)注[1].當(dāng)前主流的薄膜光伏技術(shù)包括銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池和碲化鎘(CdTe)薄膜太陽(yáng)電池,兩者的效率分別取得了23.4%和22.1%認(rèn)證世界紀(jì)錄[2].這兩項(xiàng)技術(shù)遇到的挑戰(zhàn)是稀有元素In和Te以及有毒重金屬元素Cd的使用,促使人們繼續(xù)尋找元素儲(chǔ)量豐富、對(duì)環(huán)境友好的半導(dǎo)體材料,比如銅鋅錫硫(CZTS)、硒化銻(Sb2Se3)、硫化銻(Sb2S3)、硒化亞鍺(GeSe)和硫化亞鍺(GeS)等[3-8].GeSe組分簡(jiǎn)單,Ge和Se元素儲(chǔ)量豐富且低毒,薄膜沉積工藝簡(jiǎn)單.GeSe是一種直接帶隙半導(dǎo)體,禁帶寬度為1.14 eV,吸收系數(shù)較高,載流子遷移率高[6-8],適合作為一種半導(dǎo)體光伏材料.GeSe薄膜的沉積方法包括了熱蒸發(fā)[9]、快速熱升華[10]和磁控濺射[11]等.科研人員基于GeSe制備的太陽(yáng)電池取得了一些有意義的成果,如Chen等[12]利用TiO2作為電子傳輸層,制備的結(jié)構(gòu)為FTO/TiO2/GeSe/Carbon的太陽(yáng)電池效率為0.27%,Wu等[13]利用無(wú)毒的SnO2作為電子輸運(yùn)層,制備的結(jié)構(gòu)為FTO/SnO2/GeSe/Au的太陽(yáng)電池效率為0.51%,Liu等[14]利用CdS作為緩沖層,制備了結(jié)構(gòu)為Ag/ITO/i-ZnO/CdS/GeSe/Mo/Glass的太陽(yáng)電池且效率為3.1%,后來(lái)Liu等[15]繼續(xù)利用CdS作為電子輸運(yùn)層制備了結(jié)構(gòu)為Glass/ITO/CdS/GeSe/Au的太陽(yáng)電池并取得了5.2%的轉(zhuǎn)換效率,這是目前為止報(bào)道的GeSe基太陽(yáng)電池的最高轉(zhuǎn)換效率.

影響異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池性能的因素包括了各功能層材料的材料特性和利用功能層構(gòu)筑的器件結(jié)構(gòu).本文構(gòu)筑了結(jié)構(gòu)為FTO/TiO2/GeSe/Cu2O/Metal的太陽(yáng)電池,基于應(yīng)用廣泛的太陽(yáng)電池模擬軟件wxAMPS[16-19]對(duì)器件性能進(jìn)行模擬研究,以期分析器件工作原理和預(yù)測(cè)太陽(yáng)電池性能表現(xiàn).本文沒(méi)有采用CdS或者SnO2,而是采用TiO2作為電子輸運(yùn)層(electron transport layer,ETL),這是因?yàn)門(mén)iO2化學(xué)穩(wěn)定性好、安全無(wú)毒,并且TiO2和GeSe之間的導(dǎo)帶帶階為+0.17 eV,這種尖峰狀的能帶排列不會(huì)影響光生電子從吸收層經(jīng)由ETL輸運(yùn)到前電極并進(jìn)行收集,但能降低載流子在界面處的復(fù)合[20].吸收層與金屬直接接觸時(shí),高的表面復(fù)合速率會(huì)影響器件的性能參數(shù),特別是會(huì)造成大的開(kāi)路電壓損失,解決的方法通常是在吸收層和金屬背接觸之間插入一層背面場(chǎng)(back surface field,BSF)或者空穴輸運(yùn)層(hole transport layer,HTL),本文選用的是無(wú)毒、制備簡(jiǎn)單且性質(zhì)穩(wěn)定的Cu2O.重?fù)诫s的P+型Cu2O與P型GeSe吸收層在電池背部形成高-低結(jié),能夠讓多子空穴順利從吸收層經(jīng)由HTL傳輸?shù)奖畴姌O并進(jìn)行收集,同時(shí)形成的電場(chǎng)會(huì)將少子電子反射回去并利用前電極進(jìn)行收集,而且重?fù)诫s還有利于歐姆接觸的形成[21].同時(shí)GeSe與Cu2O之間的價(jià)帶帶階為+0.16 eV,這種尖峰狀的能帶排列同樣不會(huì)影響光生空穴從吸收層經(jīng)由HTL輸運(yùn)到背電極并進(jìn)行收集,而且還能降低載流子在界面處的復(fù)合[20].

2 器件結(jié)構(gòu)與模擬參數(shù)

本文數(shù)值模擬采用的是微電子與光電子器件模擬軟件wxAMPS,該軟件基于求解載流子連續(xù)性方程和泊松方程[17],從而獲得器件的能帶結(jié)構(gòu),載流子復(fù)合率,量子效率以及太陽(yáng)電池性能參數(shù)(包括開(kāi)路電壓Voc、短路電路Jsc、填充因子FF、轉(zhuǎn)換效率η)等.圖1顯示了模擬所采用的器件結(jié)構(gòu),其中FTO是前電極,TiO2是太陽(yáng)電池的ETL,GeSe是吸收層,Cu2O是HTL.表1列出了模擬的主要材料參數(shù)及其值[8,12,13,22-28].在本研究中,GeSe吸收層的體缺陷的能級(jí)位于禁帶中央,呈高斯分布,特征能為0.1 eV,體缺陷能級(jí)的電子和空穴的俘獲界面都設(shè)定為10-15cm2,初始體缺陷密度為1016cm-3.TiO2/GeSe和GeSe/Cu2O之間的界面層性質(zhì)與吸收層的性質(zhì)完全相同,除了界面缺陷能級(jí)的電子和空穴俘獲截面都設(shè)定為10-13cm2[29].太陽(yáng)電池受光面和背面的反射率分別為0和1,前后接觸處的表面復(fù)合速率都設(shè)定為107cm/s,背接觸在不分析其功函數(shù)對(duì)器件性能影響時(shí)采用的是平帶結(jié)構(gòu),用以表示太陽(yáng)電池背部形成的是歐姆接觸,在分析其他因素對(duì)太陽(yáng)電池性能影響時(shí)也能避免背部可能形成的肖特基接觸帶來(lái)的干擾.模擬時(shí)如無(wú)特別說(shuō)明太陽(yáng)電池的工作溫度為300 K,入射光是標(biāo)準(zhǔn)的AM 1.5G光譜.

表1 模擬使用的主要材料參數(shù)Table 1.Simulation parameters for GeSe based solar cell in this study.

圖1 模擬器件結(jié)構(gòu)Fig.1.Schematic diagram of device architectures.

圖2是利用表1的初始參數(shù)模擬出的GeSe異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池能帶圖.從電池的受光面往電池內(nèi)部看,在FTO和TiO2異質(zhì)結(jié)之間出現(xiàn)了能帶不連續(xù)或者說(shuō)尖峰狀的(spike-like)帶階(band offset),能夠有效防止FTO中的電子遷移進(jìn)入TiO2并與TiO2/GeSe異質(zhì)結(jié)界面附近的空穴復(fù)合.繼續(xù)深入電池內(nèi)部,在電子輸運(yùn)層TiO2和吸收層GeSe形成的異質(zhì)結(jié)之間出現(xiàn)了尖峰狀的導(dǎo)帶帶階(conduction band offset,CBO),CBO=χAbsorber-χETL=+0.17 eV,多子電子將以熱發(fā)射的方式通過(guò)這一小的勢(shì)壘并注入ETL.ETL/吸收層之間尖峰狀的CBO不會(huì)影響界面處載流子的復(fù)合激活能Ea(此 時(shí)Ea=Eg,Absorber)[30],但能增大ETL/吸收層異質(zhì)結(jié)的內(nèi)建電勢(shì),降低界面處可用來(lái)與電子復(fù)合的空穴,從而降低載流子復(fù)合率,這有利于提高太陽(yáng)電池的Voc.假如尖峰狀的勢(shì)壘過(guò)大(一般認(rèn)為大于+0.3 eV),則會(huì)影響載流子的收集,進(jìn)而影響太陽(yáng)電池的Jsc.如果選用的ETL電子親和能大于吸收層,則會(huì)形成懸崖?tīng)畹?cliff-like) CBO,這種對(duì)于多子電子來(lái)說(shuō)暢通無(wú)阻的結(jié)構(gòu)有利于載流子的輸運(yùn),但電子可能在異質(zhì)結(jié)界面附近聚集.懸崖?tīng)畹慕Y(jié)構(gòu)還會(huì)降低界面處載流子的復(fù)合激活能Ea(此時(shí)Ea=Eg,Absorber-|CBO|)[30],界面處通常有大量的深能級(jí)陷阱,因此載流子的復(fù)合率會(huì)明顯上升,嚴(yán)重影響太陽(yáng)電池的Voc.再次深入電池內(nèi)部,在吸收層GeSe和空穴輸運(yùn)層Cu2O異質(zhì)結(jié)之間形成尖峰狀的價(jià)帶帶階(valence band offset,VBO),VBO=(χHTL+Eg,HTL) -(χAbsorber+Eg,Absorber)=+0.16 eV,這種小的尖峰同樣不會(huì)妨礙多子空穴的輸運(yùn),但能降低GeSe/Cu2O異質(zhì)結(jié)界面處的載流子復(fù)合率.HTL選擇不當(dāng)從而與吸收層形成懸崖?tīng)畹膸щA,可與前述CBO作相似的分析.

圖2 GeSe異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池能帶圖Fig.2.Schematic diagram of energy band of GeSe based solar cell.

3 結(jié)果與討論

3.1 電子輸運(yùn)層TiO2厚度和載流子濃度的影響

性質(zhì)穩(wěn)定的ETL的作用不僅是將吸收層中光照產(chǎn)生的電子傳輸?shù)角半姌O,并且還能有效阻止FTO和GeSe之間可能的元素互擴(kuò)散.ETL太薄,不能有效阻擋少子空穴從吸收層向前接觸移動(dòng),ETL太厚則可能引起載流子的復(fù)合概率上升,串聯(lián)電阻升高.圖3是電子輸運(yùn)層TiO2的厚度從0.01 μm變化到0.10 μm以及載流子濃度(ND,ETL)從1013cm-3變化到1020cm-3時(shí)GeSe基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的性能參數(shù)變化情況,此時(shí)其他各層的參數(shù)設(shè)定如表1所列.由表1可以看到,ETL厚度的減小對(duì)太陽(yáng)電池的性能有一定的改善作用,特別是當(dāng)厚度小于0.02 μm時(shí)改善作用較明顯.從目前的技術(shù)和裝備角度考慮,沉積小于0.05 μm的ETL較困難,而超過(guò)0.06 μm后ETL的厚度對(duì)太陽(yáng)電池的性能參數(shù)幾乎沒(méi)有影響[20,31],因此本文中ETL的厚度設(shè)定為0.05 μm.太陽(yáng)電池的Voc,FF和η都隨著載流子濃度的增加而增加,而Jsc幾乎不受載流子濃度變化的影響.ETL載流子濃度增加時(shí),N型ETL和P型吸收層GeSe之間的內(nèi)建電場(chǎng)得到增強(qiáng),有利于Voc的提升.而載流子濃度的增加還能提升太陽(yáng)電池的電導(dǎo)率,降低太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻,從而有利于FF的提升.太陽(yáng)電池的光吸收主要發(fā)生在GeSe吸收層,因此ETL的載流子濃度增加并不能引起Jsc的明顯變化.考慮到太陽(yáng)電池的性能和制備工藝,TiO2的載流子濃度設(shè)定為1018cm-3.

圖3 不同ETL厚度和載流子濃度時(shí)太陽(yáng)電池的(a) Voc,(b) Jsc,(c) FF,(d) ηFig.3.Variations of output parameters depending on the thickness and carrier concentration of ETL: (a) Voc;(b) Jsc;(c) FF;(d) η.

3.2 空穴輸運(yùn)層Cu2O厚度和載流子濃度的影響

性質(zhì)穩(wěn)定的HTL的作用不僅是將吸收層中光照產(chǎn)生的空穴傳輸?shù)奖畴姌O,也要能有效阻止GeSe和背接觸金屬之間可能的元素互擴(kuò)散.和ETL類(lèi)似,本文中HTL的厚度設(shè)定為0.05 μm.圖4為空穴輸運(yùn)層Cu2O的厚度從0.01 μm變化到0.10 μm以及載流子濃度(NA,HTL)從1013cm-3變化到1020cm-3時(shí)GeSe基太陽(yáng)電池的性能參數(shù)變化情況,此時(shí)ETL的厚度和載流子濃度分別為0.05 μm和1018cm-3,其他各層的參數(shù)設(shè)定如表1所列.由表1可以看到,太陽(yáng)電池的所有性能參數(shù)都隨著載流子濃度的增加而增加.HTL的載流子濃度較低時(shí),厚度的減小對(duì)太陽(yáng)電池的性能有一定的改善作用,但載流子濃度高于約1017cm-3時(shí)HTL厚度的變化對(duì)器件性能參數(shù)幾乎沒(méi)有影響.基于與ETL相似的考慮,因此本文中HTL的厚度設(shè)定為0.05 μm.

圖4 不同HTL厚度和載流子濃度時(shí)太陽(yáng)電池的(a) Voc,(b) Jsc,(c) FF,(d) ηFig.4.Variations of output parameters depending on the thickness and carrier concentration of HTL: (a) Voc;(b) Jsc;(c) FF;(d) η.

從圖4還可以看到,太陽(yáng)電池的所有性能參數(shù)都隨著載流子濃度的增加而增加.性能參數(shù)的改善可由圖5的太陽(yáng)電池(HTL厚度為0.05 μm)的能帶圖和復(fù)合率進(jìn)行解釋.由圖5(a)的不同載流子濃度下的能帶圖可以看出,隨著載流子濃度的增加,太陽(yáng)電池背部的導(dǎo)帶邊和價(jià)帶邊都向上移動(dòng),使得吸收層和HTL之間的電勢(shì)升高,從而有利于多子空穴向背接觸移動(dòng),同時(shí)阻止少子電子到達(dá)電池背部,有利于電池吸收層中載流子復(fù)合率下降,如圖5(b)所示.同時(shí)載流子濃度的增加也能降低太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻,這些都有利于太陽(yáng)電池性能的提升.基于與ETL相似的考慮,HTL的載流子濃度設(shè)定為1018cm-3.

圖5 不同HTL載流子濃度時(shí)太陽(yáng)電池的(a) 能帶結(jié)構(gòu)和(b) 載流子復(fù)合率Fig.5.GeSe based solar cell with different acceptor concentration of the HTL: (a) Energy band structure;(b) carrier recombination rate.

3.3 吸收層厚度和載流子濃度的影響

吸收層是太陽(yáng)電池光吸收以及光生載流子產(chǎn)生和分離的主要場(chǎng)所,因此吸收層的厚度和載流子濃度對(duì)太陽(yáng)電池的性能有非常重要的影響.圖6是吸收層厚度從0.1 μm變化到1 μm以及吸收層載流子濃度從1015cm-3變化到1019cm-3時(shí)太陽(yáng)電池的性能參數(shù)變化情況.由圖6可以看出,Voc和FF的變化趨勢(shì)相似,吸收層厚度的增加,載流子的復(fù)合概率上升,Voc下降.吸收層厚度的增加也會(huì)使太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻增加,FF降低.吸收層的載流子濃度升高,P-N結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng),Voc上升.吸收層載流子濃度的增加也會(huì)使太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻降低,FF增加.吸收層厚度增加時(shí),光吸收增強(qiáng)并產(chǎn)生更多的光生載流子,Jsc增加,當(dāng)吸收層厚度繼續(xù)增加時(shí),光吸收飽和,而載流子的復(fù)合概率卻隨著吸收層厚度增加而上升,因此Jsc隨著吸收層厚度的增加有先增后減的變化趨勢(shì).吸收層摻雜濃度升高時(shí),吸收層中的空穴俘獲陷阱會(huì)增多,載流子之間的散射也會(huì)增強(qiáng),這些都會(huì)引起Jsc的下降.Voc,Jsc和FF三者的綜合效果使得η隨著吸收層的厚度增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì),吸收層的優(yōu)化厚度約為0.4 μm.圖6還顯示太陽(yáng)電池的性能參數(shù)隨著吸收層載流子濃度的增加而改善,這是內(nèi)建電場(chǎng)和電導(dǎo)率得到增強(qiáng)所帶來(lái)的效果.考慮到實(shí)際應(yīng)用,GeSe吸收層的載流子濃度設(shè)定為1017cm-3.當(dāng)TiO2和Cu2O的厚度和載流子濃度都分別為0.05 μm和1018cm-3,GeSe的厚度和載流子濃度分別0.4 μm和1017cm-3時(shí),太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率η已經(jīng)來(lái)到了21.51%.

3.4 吸收層缺陷密度和工作溫度的影響

沉積吸收層薄膜時(shí)出現(xiàn)的懸掛鍵和晶界等缺陷,可能會(huì)充當(dāng)載流子的復(fù)合中心,對(duì)太陽(yáng)電池的整體性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響.如果吸收層中的體缺陷密度太高,載流子的壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度變短,載流子的復(fù)合率增高,一方面影響載流子的收集效率,另一方面也會(huì)增大電池的反向飽和電流密度J0,理想因子n、熱電壓VT以及J0對(duì)Voc的影響用公式表達(dá)為Voc=nVTln(Jsc/J0+1),可見(jiàn)J0的增大會(huì)降低Voc.電池在工作過(guò)程中將會(huì)遇到溫度的變化.工作溫度的升高使得吸收層中載流子濃度升高,載流子之間的散射概率也會(huì)升高,也可能使得吸收層中產(chǎn)生更多的載流子俘獲中心,會(huì)影響太陽(yáng)電池的Voc和FF.溫度的升高還會(huì)引起半導(dǎo)體禁帶寬度的縮減[32],影響太陽(yáng)電池的Jsc.如前所述,器件背接觸為歐姆接觸,工作溫度的變化不會(huì)影響器件的接觸性能.圖7是吸收層中體缺陷密度(Nt,GeSe)從1014cm-3變化到1018cm-3和工作溫度從275 K變化到475 K時(shí)太陽(yáng)電池的性能參數(shù)變化情況.從圖7可看出,吸收層中的缺陷對(duì)太陽(yáng)電池的整體性能都有影響,特別是當(dāng)Nt,GeSe高于1016cm-3時(shí),太陽(yáng)電池的Voc,FF和η急劇下降.Nt,GeSe越高,促進(jìn)載流子復(fù)合的復(fù)合中心越多,發(fā)生SRH (Shockley-Read-Hall)復(fù)合的概率越大,太陽(yáng)電池的Voc,FF和η都下降明顯.而Jsc在Nt,GeSe小于1017cm-3時(shí)受到的沖擊較小,說(shuō)明此時(shí)載流子的收集效率受到的影響較小,Nt,GeSe較大時(shí)載流子的收集效率也會(huì)受到非常大的影響,Jsc將明顯下降.由圖7還可以看出,太陽(yáng)電池的Voc,FF和η隨著溫度的升高而下降,而Jsc幾乎不受溫度變化的影響,說(shuō)明溫度升高使得吸收層禁帶寬度變窄的程度還不足以引起Jsc的明顯變化.溫度升高時(shí),光生載流子的產(chǎn)生率升高,電池結(jié)構(gòu)內(nèi)缺陷增多,加速載流子的復(fù)合,太陽(yáng)電池的反向飽和電流增加,使得太陽(yáng)電池的Voc,FF和η下降.吸收層中的體缺陷密度越低越好,溫度為300 K且GeSe吸收層體缺陷密度為1014cm-3時(shí)太陽(yáng)電池的高達(dá)29.19%,但實(shí)際應(yīng)用中很難達(dá)到如此低的缺陷密度.Nt越低越好,但考慮到實(shí)際應(yīng)用,GeSe吸收層的體缺陷密度設(shè)定為1015cm-3,此時(shí)太陽(yáng)電池的Voc為0.773 V,Jsc為40.71 mA·cm-2,FF為82.61%,η為26.01%.

圖7 不同吸收層缺陷密度和工作溫度時(shí)太陽(yáng)電池的(a) Voc,(b) Jsc,(c) FF,(d) ηFig.7.Photovoltaic performance parameters of the GeSe based solar cell with different Nt,GeSe and operating temperature: (a) Voc;(b) Jsc;(c) FF;(d) η.

3.5 TiO2/GeSe異質(zhì)結(jié)界面缺陷密度和工作溫度的影響

由于晶格失配和熱失配,原子排列突變的界面處容易出現(xiàn)缺陷,這些缺陷充當(dāng)復(fù)合中心并促進(jìn)載流子的復(fù)合,嚴(yán)重影響太陽(yáng)電池的性能,因此在模擬中必須考慮載流子輸運(yùn)層和吸收層之間異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的影響.另外工作溫度的變化也會(huì)影響載流子在異質(zhì)結(jié)界面處的復(fù)合激活能,溫度的升高還可能在異質(zhì)結(jié)界面之間產(chǎn)生更多的載流子俘獲中心,因此需要考慮工作溫度對(duì)器件性能的影響.模擬過(guò)程中將GeSe/Cu2O異質(zhì)結(jié)界面缺陷密度設(shè)定為109cm-2,通過(guò)改變TiO2/GeSe異質(zhì)結(jié)界面缺陷密度來(lái)觀察太陽(yáng)電池性能參數(shù)變化情況.圖8是TiO2/GeSe異質(zhì)結(jié)界面缺陷密度(Nit1)從108cm-2變化到1013cm-2和工作溫度從275 K變化到475 K時(shí)太陽(yáng)電池的性能參數(shù)變化情況.由圖8可以看出,隨著Nit1的增加,TiO2/GeSe異質(zhì)結(jié)界面處的載流子復(fù)合中心也在增加,更多的光生載流子發(fā)生復(fù)合,太陽(yáng)電池的性能變差.由圖8還可以看出,溫度對(duì)太陽(yáng)電池的Voc,FF和η有破壞作用,但幾乎不影響Jsc.溫度的升高時(shí)可能引起界面處的應(yīng)力和變形,導(dǎo)致產(chǎn)生更多的界面缺陷,使得太陽(yáng)電池的Voc,FF和η下降.溫度為300 K且Nit1為108cm-2時(shí)太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率η能達(dá)到25.69%.Nit1越低越好,但考慮到實(shí)際應(yīng)用,將Nit1設(shè)定為109cm-2,此時(shí)η為25.39%.

圖8 不同Nit1和工作溫度時(shí)太陽(yáng)電池的(a) Voc,(b) Jsc,(c) FF,(d) ηFig.8.Photovoltaic performance parameters of the GeSe based solar cell with different Nit1 and operating temperature: (a) Voc;(b) Jsc,(c) FF;(d) η.

3.6 GeSe/Cu2O異質(zhì)結(jié)界面缺陷密度和工作溫度的影響

圖9是在Nit1設(shè)定為109cm-2,并將GeSe/Cu2O異質(zhì)結(jié)界面缺陷密度(Nit2)從108cm-2變化到1013cm-2和工作溫度從275 K變化到475 K時(shí)太陽(yáng)電池的性能參數(shù)變化情況.由圖9可以看出,Nit2也會(huì)使得太陽(yáng)電池的性能變差,并且溫度對(duì)太陽(yáng)電池的Voc,FF和η有影響,但對(duì)Jsc影響很小.通過(guò)比較Nit1和Nit2對(duì)太陽(yáng)電池性能的影響程度,會(huì)發(fā)現(xiàn)Nit1對(duì)太陽(yáng)電池性能的影響更大,這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)TiO2/GeSe異質(zhì)結(jié)界面光生載流子的數(shù)量大于GeSe/Cu2O異質(zhì)結(jié)界面,從而增加了載流子的復(fù)合.溫度為300 K且Nit2為108cm-2時(shí)電池的轉(zhuǎn)換效率η能達(dá)到25.57%.Nit2越低越好,但考慮到實(shí)際應(yīng)用,將Nit2設(shè)定為109cm-2,此時(shí)太陽(yáng)電池的Voc為0.752 V,Jsc為40.71 mA·cm-2,FF為82.89%,η為25.39%.

圖9 不同Nit2和工作溫度時(shí)太陽(yáng)電池的(a) Voc,(b) Jsc,(c) FF,(d) ηFig.9.Photovoltaic performance parameters of the GeSe based solar cell with different Nit2 and operating temperature: (a) Voc;(b) Jsc;(c) FF;(d) η.

3.7 背接觸功函數(shù)的影響

背接觸功函數(shù)會(huì)影響太陽(yáng)電池背面光生空穴的收集.圖10(a)是不同背接觸功函數(shù)時(shí)太陽(yáng)電池光照下電流密度-電壓(J-V)曲線(xiàn),表2列出了相對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)電池的性能參數(shù),圖10(b)為不同背接觸功函數(shù)時(shí)太陽(yáng)電池的能帶圖.由圖10可以看到,背接觸功函數(shù)越低,太陽(yáng)電池背部能帶向下彎曲的程度更嚴(yán)重,表明HTL/背接觸界面之間形成了更高的肖特基勢(shì)壘,不利于光生空穴的輸運(yùn)和收集,嚴(yán)重影響太陽(yáng)電池的FF,因此在功函數(shù)較低時(shí),J-V曲線(xiàn)出現(xiàn)S-Shape現(xiàn)象.當(dāng)背接觸功函數(shù)高于4.9 eV時(shí),太陽(yáng)電池的性能參數(shù)趨于飽和.如果選擇Au (5.1 eV)為背接觸金屬時(shí),太陽(yáng)電池的η為25.39%,這與前述采用平帶結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池的效率一致,也說(shuō)明此時(shí)太陽(yáng)電池背部能帶向下輕微彎曲不會(huì)影響載流子的收集和電池的性能.

表2 不同背接觸功函數(shù)GeSe基太陽(yáng)電池的性能參數(shù)Table 2.Photovoltaic performance parameters of the GeSe based solar cell with different back contact work function.

圖10 不同背接觸功函數(shù)時(shí)太陽(yáng)電池的(a)J-V曲線(xiàn)和(b) 能帶圖Fig.10.The GeSe based solar cell with different back contact work function: (a) J-V curves;(b) energy band diagram.

經(jīng)過(guò)上述步驟的模擬研究,300 K 時(shí)太陽(yáng)電池的四個(gè)性能參數(shù)Voc,Jsc,FF和η分別為0.752 V,40.71 mA·cm-2,82.89%和25.39%.這些參數(shù)的獲得條件列于表3.

表3 模擬所得優(yōu)化材料和異質(zhì)結(jié)界面參數(shù)Table 3.Optimized values of the different material parameters and heterointerface properties.

4 結(jié)論

本文利用wxAMPS軟件模擬了結(jié)構(gòu)為FTO/TiO2/GeSe/Cu2O/Metal的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池,并研究了各功能層材料的材料特性、結(jié)構(gòu)中異質(zhì)結(jié)之間的界面特性以及工作溫度對(duì)GeSe異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池性能參數(shù)的影響.模擬發(fā)現(xiàn)TiO2電子輸運(yùn)層和Cu2O空穴輸運(yùn)層的厚度變化對(duì)太陽(yáng)電池性能有輕微影響,而GeSe吸收層厚度優(yōu)化為0.4 μm,這是GeSe厚度變化時(shí)光吸收和載流子復(fù)合率博弈的結(jié)果.TiO2,Cu2O和GeSe載流子濃度的提高都有益于器件性能的改善,這是載流子濃度提高從而內(nèi)建電場(chǎng)和電導(dǎo)率增強(qiáng)等積極因素主導(dǎo)的.GeSe吸收層中體缺陷以及TiO2/GeSe和GeSe/Cu2O異質(zhì)結(jié)界面處的界面缺陷都對(duì)整體器件性能有破壞作用,而離受光面更近的TiO2/GeSe異質(zhì)結(jié)界面處的缺陷比GeSe/Cu2O異質(zhì)結(jié)處的缺陷對(duì)器件性能影響更大.工作溫度的升高會(huì)降低器件的轉(zhuǎn)換效率,而背接觸功函數(shù)的升高能改善器件的性能.背接觸功函數(shù)增大,太陽(yáng)電池背部的能帶向下彎曲的程度降低,對(duì)多子輸運(yùn)越?jīng)]有阻擋作用.考慮到實(shí)際應(yīng)用選定相關(guān)材料參數(shù),當(dāng)工作溫度為300 K時(shí),GeSe異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓Voc為0.752 V,短路電流Jsc為40.71 mA·cm-2,填充因子FF為82.89%,轉(zhuǎn)換效率η為25.39%.研究結(jié)果表明結(jié)構(gòu)為FTO/TiO2/GeSe/Cu2O/Au的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池有成為高效、低毒和低成本的太陽(yáng)電池的潛力,同時(shí)模擬分析也為設(shè)計(jì)和制備類(lèi)似結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池提供一定借鑒.