[论文解读] Impact of $Al_2O_3$ Passivation on the Photovoltaic Performance of Vertical $WSe_2$ Schottky Junction Solar Cells

Elaine McVay, Zubair Ahmad+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2020

Chalcogenide Semiconductor Thin Films被引用 6

一句话总结

本研究证明，Al2O3钝化显著提升了垂直结构Pt/WSe2肖特基结太阳能电池的光伏性能，使外量子效率（EQE）在410 nm波长下提高达29.5%，短路电流密度（JSC）提升至10.7 mA/cm²，开路电压（VOC）达到380 mV。性能提升源于减反射、表面掺杂和缺陷钝化效应，而肖特基势垒的不均匀性被识别为限制VOC的关键因素。

ABSTRACT

Transition metal dichalcogenide (TMD) materials have emerged as promising candidates for thin film solar cells due to their wide bandgap range across the visible wavelengths, high absorption coefficient and ease of integration with both arbitrary substrates as well as conventional semiconductor technologies. However, reported TMD-based solar cells suffer from relatively low external quantum efficiencies (EQE) and low open circuit voltage due to unoptimized design and device fabrication. This paper studies $Pt/WSe_2$ vertical Schottky junction solar cells with various $WSe_2$ thicknesses in order to find the optimum absorber thickness.Also, we show that the photovoltaic performance can be improved via $Al_2O_3$ passivation which increases the EQE by up to 29.5% at 410 nm wavelength incident light. The overall resulting short circuit current improves through antireflection coating, surface doping, and surface trap passivation effects. Thanks to the ${Al_2O_3}$ coating, this work demonstrates a device with open circuit voltage ($V_{OC}$) of 380 mV and short circuit current density ($J_{SC}$) of 10.7 $mA/cm^2$. Finally, the impact of Schottky barrier height inhomogeneity at the $Pt/WSe_2$ contact is investigated as a source of open circuit voltage lowering in these devices

研究动机与目标

• 通过平衡开路电压（VOC）与短路电流（JSC），确定垂直肖特基结太阳能电池中WSe2吸收层厚度（80–150 nm）的最优范围。
• 研究Al2O3原子层沉积（ALD）钝化对光伏性能的影响，包括EQE、JSC和VOC。
• 分析Pt/WSe2界面处肖特基势垒高度不均匀性作为VOC降低与暗电流增大的原因。
• 评估Al2O3带来的减反射、表面掺杂与缺陷钝化协同作用对器件效率的贡献。

提出的方法

• 采用机械剥离、干法转移的多层WSe2（80–150 nm）作为吸收层，制备垂直结构肖特基结太阳能电池，Pt为背电极，Au为顶电极。
• 使用电子束光刻的氢氧聚倍氯硅氧烷（HSQ）作为隔离介质，防止平面内导电并降低暗电流。
• 通过原子层沉积（ALD）在不同厚度（5–20 nm）下沉积Al2O3，以钝化WSe2表面并诱导电荷转移掺杂。
• 在AM1.5光照及可调波长单色激光激发下测量光伏特性，以确定EQE与吸收率。
• 采用1 μm激光点的扫描光电流显微镜，绘制空间光电流响应分布，并与器件结构关联。
• 通过对数坐标图分析暗电流与电压的关系，并利用Werner方法提取理想因子，以评估肖特基势垒不均匀性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Pt/WSe2肖特基结太阳能电池中，WSe2吸收层厚度范围（80–150 nm）为何种值时，能最优平衡VOC与JSC？
• RQ2 Al2O3钝化如何影响基于WSe2的太阳能电池的外量子效率（EQE）、短路电流密度（JSC）和开路电压（VOC）？
• RQ3 减反射、表面掺杂与表面缺陷钝化在Al2O3沉积后对光伏性能提升的贡献程度如何？
• RQ4 Pt/WSe2界面处肖特基势垒高度不均匀性如何影响有效势垒高度并降低VOC？
• RQ5 表面电荷密度（如10¹² cm⁻²）在Al2O3钝化的WSe2器件中，如何改变能带剖面与弯曲程度？

主要发现

• Al2O3钝化使外量子效率（EQE）在410 nm波长下最高提升29.5%，显著增强光捕获效率。
• Al2O3钝化后，短路电流密度（JSC）提升至10.7 mA/cm²，且开路电压（VOC）未见退化。
• 在AM1.5光照下，器件实现380 mV的VOC，表明非辐射复合得到有效抑制。
• 暗电流测量表明，肖特基势垒不均匀性降低了有效势垒高度，导致漏电流增加并降低VOC。
• 扫描光电流成像证实，Al2O3钝化后WSe2薄片的载流子收集效率提升，信号均匀性改善。
• 模拟结果表明，由Al2O3诱导的表面电荷密度10¹² cm⁻²可产生有利的能带弯曲与势垒调制，增强电荷提取效率。