[논문 리뷰] Enhancing CdTe Solar Cell Performance by Reducing the "Ideal" Bandgap of CdTe through CdTe1-xSex Alloying

Jingxiu Yang, Su‐Huai Wei|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 15.

Chalcogenide Semiconductor Thin FilmsEngineering참고 문헌 28인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 CdTe 태양전지의 '이상적' 금역을 CdTe1-xSex 합금화를 통해 감소시켜 단락전류를 향상시키면서도 개방회로 전압을 유지하는 것을 목적으로 한다. 1차원 하이브리드 기능 계산을 통해 저자들은 x=0.32에서 금역을 1.48 eV에서 1.39 eV로 감소시킴으로써 합금화가 금역을 감소시키는 것을 보여주며, 특히 CuCd에 의한 수형 도핑을 향상시켜 결함 내성도 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• CdTe 태양전지에서 내재 결함으로 인한 낮은 개방회로 전압(VOC) 문제를 해결하기 위해.
• CdTe를 CdSe와 합금화하는 전략을 통해 '이상적' 금역을 저하시키되 VOC를 손상시키지 않는 방법을 탐색하기 위해.
• CdTe1-xSex 합금이 결함 특성, 특히 수형 도핑 효율을 향상시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• 금역을 최소화하면서도 격자 호환성을 유지하는 최적의 Se 농도(x)를 결정하기 위해.
• 합금화가 결함 생성 에너지 및 실리콘 운반 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• CdTe1-xSex 합금의 전자 구조 및 결함 특성을 계산하기 위해 1차원 하이브리드 기능 계산을 사용하였다.
• 증가하는 Se 농도(x)에 따라 금역이 비선형적으로 감소하는 정도를 정량화하기 위해 금역 비틀림 계수를 계산하였다.
• CdTe1-xSe 고체 용액 내에서 주요 결함, 특히 CuCd 수형 도핑제의 생성 에너지를 분석하였다.
• 합금 체계의 구조적 호환성을 평가하기 위해 CdTe와 CdSe 사이의 격자 불일치를 평가하였다.
• 금역 조정에 따른 이론적 성능 향상을 평가하기 위해 Shockley-Queisser 한계를 기준으로 삼았다.
• 합금화가 밴드 갭 내 결함 수준 정렬에 미치는 영향을 시뮬레이션하여 실리콘 재결합을 예측하기 위해 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CdTe1-xSex 합금화로 인해 CdTe의 '이상적' 금역이 1.48 eV 이하로 낮아지며 양호한 옹전자기능을 유지할 수 있는가?
• RQ2 Se의 도입이 특히 CuCd 수형 도핑제의 생성 에너지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 금역을 최소화하면서도 격자 안정성을 유지하는 데 최적의 Se 농도(x)는 무엇인가?
• RQ4 합금화가 결함 기반 실리콘 재결합을 감소시켜 CdTe의 수형 도핑 효율을 향상시키는가?
• RQ5 CdTe1-xSe 시스템에서의 광학 비틀림 계수는 장파장 광자 흡수에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• CdTe1-xSex의 금역은 x=0일 때 1.48 eV에서 x=0.32일 때 1.39 eV로 감소하여 '이상적' 금역의 상당한 감소를 나타낸다.
• 합금화 효과로 인해 CuCd 수형 도핑제의 생성 에너지가 현저히 감소함으로써 CuCd에 의한 수형 도핑이 향상됨을 입증하였다.
• CdTe1-xSe 시스템에서 큰 광학 비틀림 계수 덕분에 낮은 격자 응력으로도 효과적인 금역 조절이 가능하다.
• CdTe와 CdSe 간의 계산된 격자 불일치는 비교적 작아, 안정한 고체 용액 형성 가능성을 뒷받침한다.
• 금역 감소로 인해 장파장 흡수 능력이 향상되어 잠재적 단락전류 밀도가 증가한다.
• 결함 분석 결과, 일반적인 수형 도핑제 및 기여 결함에 대해 결함 내성이 향상되어 비복사 재결합이 감소함을 시사한다.