[论文解读] CuSbSe2 photovoltaic devices with 3% efficiency

Adam W. Welch, Lauryn L. Baranowski+4 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2015

Chalcogenide Semiconductor Thin Films参考文献 11被引用 9

一句话总结

本研究通过380–410 °C的自调节溅射工艺，实现了p型CuSbSe2薄膜太阳能电池的3%功率转换效率。器件具有1.1 eV的带隙、高吸收系数（~10⁵ cm⁻¹）以及约10¹⁷ cm⁻³的空穴浓度，但效率受限于体相复合、填充因子损失以及CuSbSe2/CdS能带偏移不理想。

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.

研究动机与目标

• 探索具有非四面体键合特性的CuSbSe2作为下一代光伏吸收材料的潜力，可实现地球储量丰富、低毒性的太阳能电池。
• 解决尽管其电子结构理想且理论稳定性良好，但CuSbSe2基器件在实验进展上长期滞后的现状。
• 展示一种可扩展的、基于衬底的CuSbSe2薄膜太阳能电池制造工艺，采用常规器件结构。
• 识别并分析关键效率限制因素，如体相复合、填充因子下降以及光生电压亏损。

提出的方法

• 在380–410 °C下通过自调节溅射工艺沉积CuSbSe2吸收层，实现1.5 µm厚薄膜的可控生长。
• 将p型吸收层集成到标准n-CdS/CuSbSe2异质结器件结构中，基底为衬底。
• 光学与电学表征包括1.1 eV处的吸收边 onset、吸收系数测量（在带边以上0.3 eV处约为~10⁵ cm⁻¹），以及约10¹⁷ cm⁻³的空穴浓度。
• 通过电流-电压（J-V）测量评估器件性能，以提取Jsc、Voc、FF及效率。
• 分析光生电压亏损与CuSbSe2/CdS异质结界面能带偏移的关系，表明能带排列非理想。

实验结果

研究问题

• RQ1 自调节溅射工艺能否制备出适用于光伏器件的高质量、厚膜CuSbSe2吸收层？
• RQ2 体相复合在初始CuSbSe2太阳能电池中对光电流的限制作用是什么？
• RQ3 CuSbSe2/CdS异质结能带排列如何影响开路电压与整体器件效率？
• RQ4 器件工程问题（如接触电阻或界面缺陷）在多大程度上降低了填充因子？

主要发现

• CuSbSe2吸收层表现出1.1 eV的直接光学带隙，在带边以上0.3 eV处具有约10⁵ cm⁻¹的高吸收系数。
• p型吸收层的空穴浓度约为10¹⁷ cm⁻³，表明掺杂水平适中。
• 初始器件实现了3%的功率转换效率，Jsc = 20 mA/cm²，Voc = 0.35 V，FF = 0.44。
• 尽管吸收性能优异，体相复合被确定为限制光电流的主要因素。
• 填充因子偏低与光生电压亏损主要归因于器件工程挑战以及CuSbSe2/CdS能带偏移不理想。