刷新记录！单晶碲化镉太阳能电池实现超过1V的开路电压和17%的光电转化效率

近日，美国亚利桑那州立大学Zhao Yuan等利用CdTe/MgCdTe双层异质结构和重掺杂p-型传输层（α-Si:H或α-SiC_y:H），将碲化镉（CdTe）太阳能电池的开路电压突破1 V，成功研制出了开路电压高达1.096V，而效率同时为17%的高性能CdTe单晶太阳能电池。

前言

高效Si和GaAs太阳能电池的效率已被证明能够达到精细平衡极限的87%（肖克利-奎塞尔模型）。与Si和GaAs太阳能电池相比，CdTe太阳能电池具有近似最优的光学带隙，并且在光学带边附近的吸收系数高，因而具有成为性能优异的光伏材料的潜力。然而，由于存在过度的非辐射复合的问题且利于空穴收集的p-型接触层很难制备，目前效率最高的CdTe太阳能电池仅能达到精细平衡极限的67%。不同于Si和GaAs太阳能电池，目前效率最高的CdTe太阳能电池一方面为多晶结构，另一方面并没有有效的宽带隙界面材料来提供载流子约束和降低界面复合速率；因此，其开路电压（V_oc）仅为0.876V（理论精细平衡极限为1.23V），这也是其光电效率过低的主要原因。

高的准费米能级分裂是获得高V_oc的先决条件，因而要求光伏体系具有长的体载流子寿命和低的界面复合速率（IRV）。但是，目前多晶CdTe薄膜载流子的典型寿命仅为几纳秒，加上p-型接触区掺杂的困难，限制了其准费米能级的分裂，其最高可获得的V_oc仅为0.936V。单晶CdTe光伏材料可预测的V_oc为1.026V，但是其实际最高的V_oc仅为0.910V；并且这个V_oc记录已经保持了几十年，直到最近才实现了超过1V的电压。

如果光伏材料具有优异的体载流子寿命和低的IRV(interface recombination velocity)，光伏材料的高化学电位（即准费米能级分裂）必然能够以电动势的形式在电极处得到有效提取，从而获得高V_oc。对传统的多晶CdTe薄膜太阳能电池而言，通常采用高掺杂的n-型CdS作为有效的电子收集电极，而采用低掺杂的p-型CdTe同时作为吸光材料和空穴传输层；后者导致了电池的内建电压（V_bi）小于吸光材料的准费米能级分裂，于是化学电位不能完全转化为电动势。

本文解决了获得高V_oc和高效率的CdTe太阳能电池面临的三个挑战：长的体载流子寿命、低的IRV和重掺杂的p-型传输层。首先设计了双层异质结构电池，在此基础上采用了外延法生长单晶CdTe薄膜并应用了新型的钝化层和p-型传输层。成功得到了Voc超过1V并且效率大幅提升的单晶CdTe太阳能电池。

吸光层质量和界面优化

通过分子束外延法沉积高质量CdTe层和CdTe/MgCdTe双层异质结构（DH），从而获得了长载流子寿命。一方面使层与层之间接触良好、缺陷密度低；另一方面，DH设计有效地约束了CdTe中的少数载流子、起到了钝化活性层边界的作用。在减小IRV方面，DH设计发挥了关键作用：不仅有效地约束了活性层中的少数载流子；而且与活性层形成了近似理想的接触，有效地消除了载流子的界面复合。

图1 载流子寿命和界面复合速率

图1（a）、（b）分别表示了载流子的寿命和IRV。从图（a）可以看出，4个不同活性层厚度的器件的有效载流子寿命均超过2 µs，证明了高质量的活性层和界面接触。最长的载流子寿命达到了3.6 µs，远远超过先前的CdTe太阳能电池。将载流子的非辐射寿命的倒数与活性层厚度的倒数拟合（图1（b）），得到30nm厚和22nm厚MgCdTe钝化层的有效IRV分别为1.2 cm s^-1和1.4 cm s^-1，这两个值与GaAs太阳能电池的最大值相当。

CdTe太阳能电池设计

采用双层MgCdTe异质结构解决了CdTe太阳能电池p-型掺杂的难题，MgCdTe钝化层有效地束缚了CdTe中的少数载流子，从而降低了电池对电极接触的要求，拓宽了电极的选择范围。图2（a）为单电池结构，其中P-型接触层或者为α-Si:H或者为α-SiC:H；图2（b）、（c）分别为平衡状态下和开路状态下的能带图。顶部MgCdTe层起到了钝化层和选择性传递空穴的作用；底部的MgCdTe层与活性层的价带差值较大，且通过n型重掺杂，起到了选择性通过电子的作用。P-型α-Si:H层或者α-SiC:H层的价带设计有效地防止了电池过大的V_oc损耗。

图2 CdTe太阳能电池结构和能带图

在接下来的部分，重点讨论了两种器件设计下的光伏特性——设计A：8 nm α–SiC:H+4 nm α–Si:H空穴接触层/10 nm 未掺杂MgCdTe p-型传输层/1 µm In掺杂的 n-型CdTe吸光层/500 nm n-型CdTe接触层/500 nm n-型InSb缓冲层/500µm n-型InSb基底；设计B：8 nm α–Si:H空穴接触层/10 nm 未掺杂MgCdTe p-型传输层/1.4 µm In掺杂的 n-型CdTe吸光层/500 nm n-型CdTe接触层/500 nm n-型InSb缓冲层/500µm n-型InSb基底。图2（d）为B电池在平衡状态下的能带图。

太阳能电池特性

在该部分首先对空穴传输层、接触层的组分和厚度进行了优化，图3（a）表明了空穴接触层组分和V_oc的关系。由于ITO的功函数较高（4.8 eV），有利于空穴传输，因而不含空穴接触层的器件本身具有一定的V_oc。插入重掺杂的α–SiC:H接触层后，器件的V_oc大大提高，这是由于内建电场的增加引起的。在此基础上，增加MgCdTe空穴传输层的厚度和Mg的总含量，能够更有效地约束CdTe吸光层中的少数载流子（电子，相对于p-型接触而言），抑制其热电子发射和遂穿效应，从而进一步增加V_oc。当采用α–SiC:H作为空穴接触层，电池的V_oc高达1.096 V，这是因为α–SiC:H的带隙更宽，同时与CdTe的HOMO能级更接近。V_oc=1.096V是单晶CdTe太阳能电池目前报道的最高值，非常接近其理论极限值1.17 V。

但是，由于填充因子（FF）的制约，本文所述的高V_oc电池并没有获得高效率。图3（b）显示了电池的V_oc与FF的关系，从中可以得出的结论是：α–SiC:H的掺杂浓度低于α–Si:H，不利于空穴在α–SiC:H与ITO层和CdTe吸光层的传输，从而增加了器件串联电阻，使FF降低。

图 3 CdTe太阳能电池的开路电压与空穴传输层和填充因子的关系

图4（a）和（b）显示了美国可再生能源实验室（NREL）验证的最高器件效率的电流-电压曲线和外量子效率曲线。验证的最高效率和V_oc分别为14.66%±1.4%和0.9954V±0.3V。以此结果标定，在实验室获得的最高光能转化效率为17.0%，其中V_oc=1.036V，J_sc=22.3mA cm^-2，FF=73.6%；最大Voc为1.096V。作者将同时明显增加的V_oc和光能转化效率归结为大大提高的体载流子寿命和大大减小的IRV，通过采用MgCdTe钝化/传输层和重掺杂的α–SiC:H和α–Si:H p-型空穴接触层有效地达到了这些效果。同时提高的J_sc主要来源于短波长区（低于600 nm）更高的量子效率。

图4 NREL验证的最高效率CdTe太阳能电池的电流-电压曲线和外量子效率曲线

最后，作者模拟了各种光子损耗途径对J_sc损耗的贡献，结果显示在图5（b）和（c）中。这些损耗主要有反射损耗、附加的光子吸收损耗以及传输损耗，表明了J_sc还有20%的提升空间，电池的光能转化效率还可以进一步提高。

图5 实验室所得效率最高的CdTe太阳能电池的电流-电压曲线和模拟的光生电流曲线

一句话总结

本文提出的CdTe/MgCdTe双异质结构有效地解决了CdTe太阳能电池P-型掺杂的困难性，为p-型接触层打开了选择空间。

该工作于2016年5月发表于 Nature Energy，原文链接：Monocrystalline CdTe solar cells with open-circuit voltage over 1 V and efficiency of 17%

该文献解读由材料人欧洲杯线上买球 学术小组Nicholas供稿，参与欧洲杯线上买球 话题讨论请加入“材料人欧洲杯线上买球 材料交流群 422065952”，若想参与欧洲杯线上买球 文献解读和文献汇总、欧洲杯线上买球 知识科普和深度挖掘欧洲杯线上买球 学术产业信息，请加qq 2728811768。

欢迎各大课题组到材料人宣传滚球体育 成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com