[논문 리뷰] CuSbSe2 photovoltaic devices with 3% efficiency

Adam W. Welch, Lauryn L. Baranowski외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 09.

Chalcogenide Semiconductor Thin Films참고 문헌 11인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 380–410 °C에서 자가 조절 스퍼터링 공정을 사용하여 3%의 전력 변환 효율을 달성한 p형 CuSbSe2 박막 태양전지의 성능을 보여준다. 장치는 1.1 eV의 금역간격, 높은 흡수 계수(~10⁵ cm⁻¹) 및 약 10¹⁷ cm⁻³의 정공 농도를 나타내지만, 부피 재결합, 전류-전압 특성의 완전성 손실 및 최적화되지 않은 CuSbSe2/CdS 밴드 오프셋으로 인해 효율이 제한된다.

ABSTRACT

Recent technical and commercial successes of existing thin film solar cell technologies motivates exploration of next-generation photovoltaic (PV) absorber materials. Of particular scientific interest are compounds like CuSbSe$_2$, which do not have the conventional tetrahedral semiconductor bonding. Here, we demonstrate 1.5 μm thick CuSbSe$_2$ PV prototypes prepared at 380-410°C by a self-regulated sputtering process using the conventional substrate device architecture. The p-type CuSbSe$_2$ absorber has a 1.1 eV optical absorption onset, ~$10^{5}$ cm$^{-1}$ absorption coefficient at 0.3 eV above the onset, and a hole concentration of ~10$^{17}$ cm$^{-3}$. The promising >3% energy conversion efficiency (Jsc = 20 mA/cm$^2$, FF = 0.44, Voc = 0.35 V) in these initial devices is limited by bulk recombination that limits photocurrent, device engineering issues that affect fill factor, and a photovoltage deficit that likely results from the non-ideal CuSbSe2/CdS band offset.

연구 동기 및 목표

• 비정사면체 결합을 가진 다음 세대 태양전지 흡수재로 CuSbSe2를 탐색하여 지구에 풍부하고 저독성인 태양전지를 가능하게 한다.
• 그 이론적 안정성과 유망한 전자 구조에도 불구하고 CuSbSe2 기반 장치에서의 실험적 진전이 부족한 문제를 해결한다.
• 기존 장치 구조를 활용한 스케일러블하고 기초 기반의 CuSbSe2 박막 태양전지 제조 공정을 구현한다.
• 부피 재결합, 전류-전압 특성의 열화, 광전압 손실과 같은 주요 효율 제한 요인을 규명하고 분석한다.

제안 방법

• CuSbSe2 흡수층은 380–410 °C에서 자가 조절 스퍼터링을 통해 증착되어 두께가 1.5 µm인 균일한 필름을 제어적으로 형성하였다.
• p형 흡수층은 기초 기반의 표준 n-CdS/CuSbSe2 이종접합 장치 구조에 통합되었다.
• 광학적 및 전기적 특성 분석을 위해 1.1 eV에서의 흡수 시작점, 0.3 eV 이상의 밴드 에지에서의 흡수 계수 측정(~10⁵ cm⁻¹), 그리고 약 10¹⁷ cm⁻³의 정공 농도를 확인하였다.
• 장치 성능 평가를 위해 전류-전압(J-V) 측정을 수행하여 Jsc, Voc, FF 및 효율을 추출하였다.
• 광전압 손실은 CuSbSe2/CdS 이종접합의 밴드 오프셋과 관련하여 비이상적인 정렬이 원인임을 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기 조절 스퍼터링 공정이 광전지 장치에 적합한 고품질 두꺼운 CuSbSe2 흡수층을 제조할 수 있는가?
• RQ2 초기 CuSbSe2 태양전지에서 광전류를 제한하는 주요 원인으로서의 부피 재결합의 역할은 무엇인가?
• RQ3 CuSbSe2/CdS 이종접합의 밴드 정렬은 개방 전압과 전체 장치 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 접촉 저항 또는 표면 결함과 같은 장치 공학 문제로 인해 필드 팩터가 얼마나 감소하는가?

주요 결과

• CuSbSe2 흡수층은 1.1 eV의 직접 광학 금역간격과 0.3 eV의 밴드 에지 초과에서 약 ~10⁵ cm⁻¹의 높은 흡수 계수를 나타내었다.
• p형 흡수층은 약 10¹⁷ cm⁻³의 정공 농도를 보이며 중간 수준의 doping 수준임을 시사하였다.
• 초기 장치는 3%의 전력 변환 효율을 달성하였으며, Jsc = 20 mA/cm², Voc = 0.35 V, FF = 0.44였다.
• 높은 흡수 특성에도 불구하고 부피 재결합이 광전류를 제한하는 주요 요인로 규명되었다.
• 낮은 필드 팩터와 광전압 손실은 장치 공학 문제와 비이상적인 CuSbSe2/CdS 밴드 오프셋으로 기인되었다.