CdTe太阳能电池新突破

【背景介绍】

多晶CdTe光伏器件的光电转换效率（PCE）已超过22%，是目前商用最成功的薄膜太阳能电池技术之一。CdTe基PV组件的制造工艺包括三个关键步骤：吸光层（CdTe或CdSe/CdTe）的快速沉积（~600 °C）、CdCl2处理（~400 °C）和Cu掺杂（~200 °C）。其中，Cu掺杂能够增加吸光层中的空穴浓度，是目前高效CdTe太阳能电池的主流技术。但是Cu掺杂有以下缺点：（1）由于补偿性缺陷的存在，Cu掺杂只能产生~1014 cm-3的低空穴密度；（2）Cu离子容易在CdTe薄膜中迁移和扩散，引入模块不稳定的风险。理论研究表明，V族元素（磷、砷、锑和铋）掺杂技术能够克服Cu掺杂的两个主要缺点。目前，高效V族元素掺杂的CdTe太阳能电池主要采用原位掺杂技术，即在CdTe薄膜沉积过程中使用Cd3V2或者V2Te3共价化合物作为掺杂剂进行掺杂。该技术需要复杂的后续高温退火过程来激活掺杂剂。这是因为在Cd3V2或V2Te3中，V-Te和Cd-V键具有较高的共价特性，在扩散前需要较高的能量打断共价键。而相对于原位掺杂技术，非原位掺杂更具优势：CdCl2处理使得CdTe具有更多的Te空位，更有利于V族元素的扩散，进而形成VTe受主掺杂。但是，到目前为止仍然没有高效可行的非原位掺杂工艺问世。

【成果简介】

近日，美国阿拉巴马大学闫风教授，美国托莱多大学鄢炎发教授（共同通讯作者）、李登兵博士（第一作者）等人报道了一种新的高效非原位掺杂技术，即使用一系列V族高离子性材料（即V族氯化物（VCl3），如PCl3、AsCl3、SbCl3和BiCl3）作为掺杂前驱体，在低温条件下实现了有效的非原位V族元素掺杂。作者利用密度泛函理论（DFT）计算、二次离子质谱、X射线能谱、瞬态荧光光谱、变温导纳谱等手段对该策略进行了验证。结果表明，使用该技术可获得高达5.88%的掺杂元素活化率，并实现了大于2×1015 cm-3的空穴浓度和高于20 ns的载流子寿命。最终获得了开路电压（VOC）高达863 mV的V族掺杂CdSeTe太阳能电池，高于Cu掺杂器件的852 mV。更重要的是，该技术与当前工业生产线上的低温非原位Cu掺杂工艺完全兼，从而为低成本制备V族元素掺杂的多晶CdTe太阳能电池提供了可能，也为CdTe薄膜太阳能电池的研究开辟了新方向。研究成果以题为“Low-temperature and effective ex situ group V doping for efficient polycrystalline CdSeTe solar cells”发布在国际著名期刊 Nature Energy上。

【图文解读】

图一、多晶CdSeTe太阳能电池中的低温非原位掺杂示意图

（a）CdCl2处理的多晶CdSeTe薄膜；

（b）使用V族氯化物VCl3溶液在CdSeTe表面进行旋涂沉积；

（c）使用刮涂法沉积碳电极，并在80 °C下固化干燥；

（d）V族元素在低温（~200 °C）下向CdSeTe中扩散。

图二、掺杂元素的分布和浅受主缺陷态的形成

（a）使用Cl的2D二次离子质谱表明晶界位置；

（b）使用2D二次离子质谱表明As在CdSeTe薄膜中的分布；

（c）As在CdSeTe器件中的动态SIMS深度分布；

（d）使用X射线光电子能谱（XPS）分析As在CdSeTe中的化学状态。

图三、As掺杂的无铜CdSeTe器件性能

（a）Cu或As掺杂的CdSeTe器件的J-V曲线；

（b）Cu和As掺杂的CdSeTe器件的相应EQE；

（c-f）PCE、VOC、短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）的统计分布。

图四、载流子寿命、密度以及缺陷特性表征

（a）Cu和As掺杂的CdSeTe器件的TRPL曲线；

（b）Cu和As掺杂的CdSeTe器件的稳态PL曲线；

（c）使用C-V测量Cu和As掺杂的CdSeTe器件的载流子浓度分布；

（d）使用导纳谱测量缺陷激活能。

【小结】

综上所述，作者在CdTe太阳能电池中证明了一种低温非原位V族元素掺杂新技术，并制备了高效的无铜CdSeTe薄膜太阳能电池。使用该低温非原位掺杂工艺，可获得高达5.88%掺杂元素活化率，并实现了高空穴密度（约1015 cm-3）和长载流子寿命（约22 ns）。使用该技术制备的As掺杂的CdSeTe太阳能电池获得了863 mV的VOC和超过18%的PCE，优于Cu掺杂的同类电池。更重要的是，这种低成本、低温的V族元素扩散掺杂工艺与传统的Cu掺杂工艺兼容，因此可方便地与生产线集成，从而进一步使CdTe基太阳能电池技术在市场上更具竞争力。该工作为实现25%的高效和高稳定性CdTe太阳能电池开辟了一条更有效的途径。

文献链接：Low-temperature and effective ex situ group V doping for efficient polycrystalline CdSeTe solar cells . Natrue Energy, 2021, DOI: 10.1038/s41560-021-00848-z.