晶界和孔洞对CdTe太阳能电池电流传导和性能影响的研究

It is important to improve the conversion efficiency of the low cost polycrystalline thin film solar cells in order to enhance the energy proportion in the whole social energy. Study the effect of grain boundaries and voids properties on the current conduction and device performances is helpful to improve the conversion efficiency of polycrystalline thin film solar cells. This project aims to study the effect of grain boundaries and voids properties of key materials on current conduction and device performances of polycrystalline CdTe solar cells deposited by low temperature magnetron sputtering. We propose the new idea of building the relationship between the current conduction,performances of CdTe solar cells and grain boundaries,voids properties of key materials in the CdTe solar cells grown by low temperature magnetron sputtering.This project is expected to study the key material factors for improving the conversion efficiency and performances of CdTe solar cells grown by magnetron sputtering.This project is expected to get the grain boundaries and voids properties of key materials for improving the conversion efficiency of CdTe solar cells.By building solar cell devices, developing in situ technique, and combining variety of characterization and measurement technologies, the relationship between grain boundaries, voids properties including microstructure, physical, chemical properties and current transport, physical mechanism, minority carrier lifetime, and device performances will be studied.The properties of grain boundaries and voids will be modified via different growth conditions, doping, Cl treatment conditions, and the back contact materials. The current conduction, minority carrier lifetime, and solar cell devices properties under different grain boundaries and voids properties is expected to obtained. High efficiency CdTe solar cells is expected to obtained by regulating the grain boundaries and voids properties.

提高低成本多晶薄膜太阳能电池在社会整体能源所占比重需提高其转化效率，研究晶界和孔洞性质对电流传导和器件性能的影响有助于提高多晶薄膜太阳能电池的转化效率。本项目将开展关键材料晶界和孔洞性质对低温磁控溅射CdTe多晶电池器件电流传导和器件性能影响的研究工作。提出将晶界和孔洞性能与电流传导和器件性能相结合的新思路，研究磁控溅射CdTe电池器件转化效率和性能提高的关键材料因素，得到提高CdTe电池器件关键材料的晶界和孔洞性质；构筑电池器件，发展原位技术，集多种表征和测量技术为一体，研究CdTe多晶薄膜晶界和孔洞微观结构、物理、化学性能与电流传输及其物理机制、少子寿命、和电池器件之间的关系；利用不同生长条件、掺杂、Cl处理条件、背接触材料调控CdTe多晶薄膜晶界和孔洞性质，阐明不同晶界和孔洞性质下电流传导、少子寿命、电池器件的规律，并通过调控晶界和孔洞性质制备高转化效率的CdTe电池器件。

多晶薄膜太阳能电池将与单晶硅电池和其它太阳能电池比如有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池形成互补，并在很多性能上更具优势。比如 CdTe 具有与太阳能光谱非 常匹配的室温直接带隙宽度 Eg = 1.5 eV、高光学吸收系数(可见光范围>5×105 cm-1)、高稳定性、低功率温度系数(~-0.21%/℃)、好的弱光特性、无本征光致衰减效应、环境友好性等优异性能。提高 CdTe多晶薄膜电池的转化效率是目前的研究重点。限制 CdTe多晶薄膜电池器件转化效率提高的因素之一，可能就是多晶本身具有的二维缺陷：晶界、晶粒表面、和孔洞，但是还需要进一步的研究。基于目前的研究现状和关键科学问题，本项目提出研究晶界和孔洞对 CdTe电池电流传导及其物理机制和电池器件性能的影响。本项目从电池关键材料晶界和孔洞的调控、物性表征、器件性能和转化效率三个方面开展实验研究，着重进行晶界和孔洞性能的调控、CdTe晶界和孔洞性质，电池器件电流传导，少子寿命等物性的精确测量、 构建 CdTe电池器件转化效率、性能与晶界、孔洞性质之间的关系的研究。四年来，项目组成员根据项目计划书的研究内容开展了大量的研究探索工作，圆满的完成了既定任务。实现了CdTe晶界和孔洞性能的有效调控；完成了CdTe晶界和孔洞性质，电池器件电流传导，少子寿命等物性的精确测量，确定在CdTe太阳电池中晶界尤其是孪晶晶界有利于光生载流子的分离和传导；阐明了 CdTe电池器件转化效率、性能与晶界、孔洞性质之间的关系，证明CdTe太阳电池的转化效率随着CdTe多晶薄膜中孪晶晶界密度的增加而增加，通过多晶薄膜制备条件、后退火实验条件的调控，有效的实现了磁控溅射和脉冲激光沉积制备CdTe电池中晶界与孔洞的调控，通过增加CdTe中{111} 共格孪晶晶界的密度，分别在磁控溅射和脉冲激光沉积的CdTe中实现了14.4%和9.68%的转化效率，效率位于国际领先水平。通过本项目的研究，初步得到限制转化效率提高的最本质的因素，了解了多晶薄膜太阳能电池晶界和孔洞对器件性能的影响，有助与高效、低成本多晶薄膜太阳电池器件的应用发展。项目启动以来，共发表学位论文21篇，申请专利8项目，培养副研究员1名，研究生7名。