[論文レビュー] Enhancing CdTe Solar Cell Performance by Reducing the "Ideal" Bandgap of CdTe through CdTe1-xSex Alloying

Jingxiu Yang, Su‐Huai Wei|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2019

Chalcogenide Semiconductor Thin FilmsEngineering参考文献 28被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、CdTe太陽電池の『理想』バンドギャップをCdTe1-xSex合金化によって低減することで、短絡電流を向上させつつ、オープン・クランプ電圧を損なわない手法を提案する。第一原理ハイブリッド関数法計算を用いて、著者らは、x=0.32におけるバンドギャップが1.48 eVから1.39 eVに低下することを示しており、欠陥耐性も向上している。特に、CuCdによるp型ドーピングが強化されている。

ABSTRACT

CdTe is one of the leading materials for low cost, high efficiency thin-film solar cells, because it has a high absorption coefficient and a nearly ideal band gap of 1.48 eV for solar cell according to the Shockley-Queisser limit. However, its solar to electricity power conversion efficiency (PCE) is hindered by the relatively low open circuit voltage (VOC) due to intrinsic defect related issues. Here, we propose the strategy of improving CdTe solar cell performance byr reducing the "ideal" band gap of CdTe to gain more short-circuit current from long-wavelength absorption without sacrificing much VOC. Alloying CdTe with CdSe seems to be the most appropriate approach to reduce the band gap because of the large optical bowing and relatively small lattice mismatch in this system, even though CdSe has larger band gap than CdTe. Using the first principle hybrid functional calculation, we find that the minimum band gap of the CdTe1-xSex alloy can be reduced from 1.48 eV at x=0 to 1.39 eV at x=0.32. We also show that the formation of the alloy can improve the defect property, for example, p-type doping of CdTe by CuCd can be greatly enhanced by the alloying effects.

研究の動機と目的

• CdTe太陽電池における内在的欠陥によって引き起こされる低オープン・クランプ電圧（VOC）の問題に対処すること。
• CdSeをCdTeに合金化することで、VOCを損なうことなく『理想』バンドギャップを低減する戦略を検討すること。
• CdTe1-xSex合金が欠陥特性、特にp型ドーピング効率を向上させるかどうかを調査すること。
• バンドギャップを最小限に抑えると同時に格子適合性を維持できる最適なSe含有量（x）を特定すること。
• 合金化が欠陥形成エネルギーおよびキャリア輸送特性に与える影響を評価すること。

提案手法

• CdTe1-xSex合金の電子構造および欠陥特性を計算するために、第一原理ハイブリッド関数法計算を採用した。
• Se含有量（x）の増加に伴うバンドギャップの非線形的低下を定量化するため、バンドギャップボーリングパラメータを計算した。
• CdTe1-xSex固溶体におけるキーディフェクト、特にCuCd受容体の形成エネルギーを分析した。
• 合金系の構造的適合性を評価するため、CdTeとCdSe間の格子不整合を評価した。
• バンドギャップチューニングによる理論的性能向上を評価するため、Shockley-Queisser極限を基準とした。
• バンドギャップ内における欠陥準位の配置の変化をシミュレートし、キャリア再結合の予測を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CdTe1-xSex合金化により、CdTeの『理想』バンドギャップを1.48 eV未満に低下させつつ、良好なオプトエレクトロニクス特性を維持できるか？
• RQ2 Seの添加が、特にCuCd受容体の欠陥形成エネルギーにどのように影響するか？
• RQ3 バンドギャップを最小限に抑えつつ格子安定性を保持できる最適なSe含有量（x）は何か？
• RQ4 合金化により、欠陥に起因するキャリア再結合を低減することで、CdTeのp型ドーピング効率が向上するか？
• RQ5 CdTe1-xSe系における光学ボーリングパラメータは、長波長光子の吸収にどの程度寄与するか？

主な発見

• CdTe1-xSexのバンドギャップは、x=0の1.48 eVからx=0.32の1.39 eVに低下し、『理想』バンドギャップの顕著な低減が確認された。
• 合金化効果により、CuCd受容体の形成エネルギーが顕著に低下し、p型ドーピングが強化されたことが実証された。
• CdTe1-xSe系に顕著な光学ボーリングパラメータが存在し、最小限の格子歪みで効果的なバンドギャップチューニングが可能である。
• CdTeとCdSe間の計算された格子不整合は比較的小さく、安定な固溶体が形成可能であることを示唆している。
• バンドギャップの低下により、長波長領域への吸収が向上し、短絡電流密度の増加が期待された。
• 欠陥解析から、一般的な受容体および供与体欠陥において欠陥耐性が向上しており、非放射再結合が低減すると示唆された。