[논문 리뷰] Impacts of Fermi Level Pinning at Hole-Selective Contacts in CdSeTe/CdTe Solar Cells

Ariful Islam, Nathan D. Rock외 4명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 07.

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한 줄 요약

본 논문은 CdSeTe/CdTe 태양전지에 대한 디바이스 물리 모델을 개발하고, 도너형 결함에 의해 p-형 구멍 접촉에서의 페르미 준위 고정이 주로 필 팩터를 감소시키며, 밴드 굽힘을 완화하기 위한 패시베이션된 홀 선택층을 탐구한다.

ABSTRACT

P-type doped CdTe free surfaces Schottky contacts, and even interfaces with isostructural p-ZnTe frequently exhibit downward band bending and moderate to high recombination velocities. Fermi level pinning by donor-like states can explain these band diagram features, as well as device response characteristics such as 1st quadrant rollover in current-voltage (JV) versus temperature (JVT). Parasitic downward band bending also produces voltage-dependent photocurrent collection, producing fill factor (FF) efficiency losses, JV dark/light non-superposition (or JV take-off), and irregularities in Jsc-Voc and Suns-Voc measurements. Herein, we develop a device physics model of state-of-the-art CdSeTe/CdTe solar cells consistent with known characterization of materials and devices, including the optical, thermalization, and trapping effects of band tail states and isolated defects. We use this model to demonstrate that Fermi-level pinning at the p-ZnTe/p-CdSeTe hole contact by donor-like defects reproduces the aforementioned observables, and conclude that (for contemporary few-um absorber thicknesses and low mobilities) it primarily affects FF rather than Voc. We investigate the performance gains possible from hypothetical passivated, hole-selective layers at the ZnTe/CdTe interface, which eliminate the downwards band bending caused by donor-like defects. For thinner devices and larger minority carrier diffusion lengths, these strategies will become more important for continued efficiency improvements.

연구 동기 및 목표

• 다운워드 밴드 굽힘과 p-형 CdTe 자유 표면 및 p-ZnTe 계면에서의 재결합에 대한 이해를 유도한다.
• 도너형 결함 상태가 페르미 준위를 고정시키고 관측된 소자 동작을 야기하는 메커니즘을 설명한다.
• CdSeTe/CdTe 소자에 관련된 밴드 꼬리 상태와 결함을 포함하는 물리 기반 모델을 개발한다.
• ZnTe/CdTe 계면에서의 패시베이션된 홀 선택층이 밴드 굽힘을 제거하고 성능 향상을 가져올 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• 밴드 꼬리 상태와 고립된 결함의 광학적, 열화화(thermalization), 포집 효과를 포함하는 디바이스 물리 모델을 구성한다.
• p-ZnTe/p-CdSeTe 홀 접촉에서의 도너형 결함에 의한 페르미 준위 고정을 시뮬레이션한다.
• 모델 예측과 알려진 재료 및 소자 특성치를 비교한다.
• 현대의 얇은 흡수층 두께와 이동도에서 고정에 의해 전압, 전류 및 Fill Factor가 어떻게 영향받는지 평가한다.
• 밴드 굽힘을 제거하는 패시베이션된 홀 선택층을 통한 성능 향상을 탐구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도너형 결함으로 인한 홀 접촉의 페르미 준위 고정이 CdSeTe/CdTe 태양전지의 JV/Voc 및 FF에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 밴드 굽힘은 현 소자에서 광전류 수집 및 소자의 비이상 특성(JV-T, Suns-Voc)에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 패시베이션된 홀 선택적 인터페이스는 밴드 굽힘을 완화하고 얇은 흡수층의 소자 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 두께, 확산 길이, 이동도 조건에서 패시베이션 전략이 성능 향상에 더 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• p-ZnTe/p-CdSeTe 홀 접촉에서의 페르미 준위 고정은 관찰된 밴드 굽힘 및 재결합 동작을 재현한다.
• 저이동도의 근래의 몇 µm 흡수층 소자에서 고정은 Voc보다 주로 Fill Factor를 저하시키는 경향이 있다.
• 기생적인 하향 밴드 굽힘으로 인해 전압 의존 광전류와 비이상 JV 특성(JV 다크/빛의 비중합, Suns-Voc의 불규칙성)이 나타난다.
• ZnTe/CdTe 계면에서의 가설적 패시베이션된 홀 선택층은 하향 밴드 굽힘을 제거하고 성능을 향상시킬 수 있다.
• 더 얇은 소자와 더 큰 소수캐리어 확산 길이를 가진 경우 패시베이션 전략이 효율 향상에 더 중요해진다.