[論文レビュー] Impact of $Al_2O_3$ Passivation on the Photovoltaic Performance of Vertical $WSe_2$ Schottky Junction Solar Cells

Elaine McVay, Zubair Ahmad+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2020

Chalcogenide Semiconductor Thin Films被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、Al2O3のパassingが垂直型Pt/WSe2ショットキー接合太陽電池の発電特性を顕著に向上させることを示している。410 nmにおける外部量子効率（EQE）が最大29.5%向上し、短絡電流密度（JSC）が10.7 mA/cm²に向上し、オープン・クランプ電圧（VOC）が380 mVに達した。向上のメカニズムは、反射防止効果、表面ドーピング、トラップパassing効果に起因するが、ショットキー準位の不均一性がVOCの向上を制限する主な要因であることが特定された。

ABSTRACT

Transition metal dichalcogenide (TMD) materials have emerged as promising candidates for thin film solar cells due to their wide bandgap range across the visible wavelengths, high absorption coefficient and ease of integration with both arbitrary substrates as well as conventional semiconductor technologies. However, reported TMD-based solar cells suffer from relatively low external quantum efficiencies (EQE) and low open circuit voltage due to unoptimized design and device fabrication. This paper studies $Pt/WSe_2$ vertical Schottky junction solar cells with various $WSe_2$ thicknesses in order to find the optimum absorber thickness.Also, we show that the photovoltaic performance can be improved via $Al_2O_3$ passivation which increases the EQE by up to 29.5% at 410 nm wavelength incident light. The overall resulting short circuit current improves through antireflection coating, surface doping, and surface trap passivation effects. Thanks to the ${Al_2O_3}$ coating, this work demonstrates a device with open circuit voltage ($V_{OC}$) of 380 mV and short circuit current density ($J_{SC}$) of 10.7 $mA/cm^2$. Finally, the impact of Schottky barrier height inhomogeneity at the $Pt/WSe_2$ contact is investigated as a source of open circuit voltage lowering in these devices

研究の動機と目的

• オープン・クランプ電圧（VOC）と短絡電流（JSC）のトレードオフを最適化するため、垂直型ショットキー接合太陽電池におけるWSe2吸収層の最適厚さ（80–150 nm）を特定すること。
• Al2O3の原子層堆積（ALD）によるパassingが、EQE、JSC、VOCを含む発電特性に与える影響を調査すること。
• Pt/WSe2界面におけるショットキー準位高さの不均一性が、VOCの低下とダーク電流の増加を引き起こす要因であることを分析すること。
• Al2O3による反射防止、表面ドーピング、トラップパassingの併合効果がデバイス効率に与える寄与を評価すること。

提案手法

• 機械的剥離と乾式転写法を用いて得た多層WSe2（80–150 nm）を吸収層として用い、Ptを下部電極、Auを上部電極とする垂直型ショットキー接合太陽電池の作製。
• 平面内導電を防止し、ダーク電流を低減するため、電子線リソグラフィーでパターン加工された水素シルセキソン（HSQ）を絶縁ダイレクト材料として使用。
• Al2O3をアルミニウム酸化物の原子層堆積（ALD）法で堆積し、WSe2表面をパassingするとともに、電荷移動ドーピングを誘導。堆積厚さは5–20 nmの範囲で変化させた。
• AM1.5照明下および波長可変の単色レーザー励起条件下で発電特性を測定し、EQEと吸収率を決定。
• 1 μmのレーザースポットを用いた走査光起電力顕微鏡法により、空間的光起電力応答をマッピングし、デバイス構造と照合。
• 対数プロットを用いたダーク電流対電圧特性の解析と、Werner法による理想度数の抽出により、ショットキー準位の不均一性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pt/WSe2ショットキー接合太陽電池において、VOCとJSCのトレードオフを最適化するためのWSe2吸収層の最適厚さ範囲（80–150 nm）は何か？
• RQ2 Al2O3パassingは、WSe2ベースの太陽電池の外部量子効率（EQE）、短絡電流密度（JSC）、オープン・クランプ電圧（VOC）にどのように影響を与えるか？
• RQ3 Al2O3堆積後の、反射防止、表面ドーピング、表面トラップパassingの寄与度は、発電特性の向上にどの程度寄与しているか？
• RQ4 Pt/WSe2界面におけるショットキー準位高さの不均一性は、有効準位高さにどのように影響を与え、VOCを低下させるか？
• RQ5 表面電荷密度（例：10¹² cm⁻²）は、Al2O3パassingされたWSe2デバイスにおけるポテンシャルプロファイルとバンド曲げをどのように変化させるか？

主な発見

• Al2O3パassingにより、410 nmにおける外部量子効率（EQE）が最大29.5%向上し、光吸収効率が顕著に向上した。
• Al2O3パassing後、短絡電流密度（JSC）は10.7 mA/cm²に向上したが、オープン・クランプ電圧（VOC）に劣化は認められなかった。
• AM1.5照明下でVOCが380 mVに達したことは、非放射再結合の有効な抑制が行われたことを示している。
• ダーク電流測定の結果、ショットキー準位の不均一性が有効準位高さを低下させ、リーク電流を増加させ、VOCを低下させることを明らかにした。
• 走査光起電力イメージングにより、Al2O3パassing後にWSe2フラケにわたるキャリア収率が向上し、信号の均一性が向上したことが確認された。
• シミュレーションにより、Al2O3が誘導する表面電荷密度10¹² cm⁻²が、好適なバンド曲げとポテンシャルプロファイルの変調を引き起こし、電荷抽出を促進することが示された。