[论文解读] Enhancing CdTe Solar Cell Performance by Reducing the "Ideal" Bandgap of CdTe through CdTe1-xSex Alloying

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

Chalcogenide Semiconductor Thin FilmsEngineering参考文献 28被引用 18

一句话总结

本研究通过CdTe1-xSex固溶体合金化，提出降低CdTe太阳能电池的‘理想’带隙，以在不牺牲开路电压的前提下提升短路电流。利用从头算杂化泛函计算，作者表明，当x=0.32时，合金化使带隙从1.48 eV降低至1.39 eV，同时改善缺陷容忍度，特别是提升了CuCd的p型掺杂效率。

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.

研究动机与目标

• 解决由本征缺陷引起的CdTe太阳能电池开路电压（VOC）偏低的问题。
• 探索将CdTe与CdSe合金化作为降低‘理想’带隙而不影响VOC的策略。
• 研究CdTe1-xSex合金是否能改善缺陷特性，特别是p型掺杂效率。
• 确定最小化带隙同时保持晶格相容性的最佳硒组分（x）。
• 评估合金化对缺陷形成能及载流子输运特性的影响。

提出的方法

• 采用从头算杂化泛函计算，计算CdTe1-xSex合金的电子结构与缺陷特性。
• 计算带隙bowing参数，量化带隙随硒含量（x）增加的非线性减小趋势。
• 分析关键缺陷（包括CuCd受主）在CdTe1-xSex固溶体中的形成能。
• 评估CdTe与CdSe之间的晶格失配，以评估该合金体系的结构相容性。
• 以Shockley-Queisser极限为参考，评估带隙调制带来的理论性能提升。
• 模拟合金化对带隙内缺陷能级排列的影响，以预测载流子复合行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 CdTe1-xSex合金化能否在保持良好光电器件性能的前提下，将CdTe的‘理想’带隙降低至1.48 eV以下？
• RQ2 硒的引入如何影响缺陷形成能，特别是对CuCd受主的影响？
• RQ3 何种硒组分（x）可使带隙最小化，同时保持晶格稳定性？
• RQ4 合金化是否通过减少缺陷相关的载流子复合，提升CdTe的p型掺杂效率？
• RQ5 CdTe1-xSe体系中的光学bowing参数在多大程度上影响长波长光子的吸收？

主要发现

• CdTe1-xSex的带隙从x=0时的1.48 eV降低至x=0.32时的1.39 eV，表明‘理想’带隙显著减小。
• 合金化效应通过显著降低CuCd受主的形成能，增强了CuCd的p型掺杂能力。
• CdTe1-xSe体系中较大的光学bowing参数可实现有效带隙调制，且晶格应变极小。
• 计算得到的CdTe与CdSe之间的晶格失配相对较小，支持形成稳定固溶体的可行性。
• 带隙减小使长波长光吸收增强，从而提升潜在的短路电流密度。
• 缺陷分析显示缺陷容忍度提高，尤其对常见受主与施主缺陷，表明非辐射复合减少。