太阳能电池吸收剂的定量光致发光和光激发态的质量

新型薄膜太阳能电池的研究始终是通过处理这种类型的设备所需的低材料和能量消耗。这种方法似乎有望建立更可持续的技术，并且能够达到更短的能量回收时间，而不是良好的晶体硅技术。大多数薄膜方法基于异质结构设计，其包括晶格常数，带间隙，电子亲异性等的材料基本上不同。这导致剧烈的带不连续性和障碍，这可能妨碍形成良好的p-n结构。对于改进的异质结构，在一些技术中引入额外的薄半导体层，其通常被称为缓冲层。对于CIGSSE和CZTSSE技术，其含有相当低毒性潜力的成分，而且具有相当有毒的CDS化合物，传统上用作最原始和多功能的缓冲材料。在过去几年中，已经进行了显着的研究，以便寻找替代无毒缓冲材料和改善异质结构的质量。在这些INS和Zn（o，s）中是最突出的。

在本应用笔记中，我们分析了不同缓冲层的CZTSSe样品，这些缓冲层是在最近的一个研究项目中提供的。除了上述标准CdS缓冲器外，还测试了一种基于zn的缓冲器和一种混合方法，该方法将薄层CdS与基于zn的缓冲器结合在一起。采用标定的光致发光(PL)方法提取准费米能级的分裂，决定了可达开路电压(V_OC.)。这种表征技术还有一个优点，即它可以在生产过程的早期阶段预测所研究的改性效果，而无需制造完整的太阳能电池。

实验装置

从Horiba的Labram Aramis中测量PL光谱，这是一个共焦拉曼显微镜设置。通过向光束线添加二向分子分离器来修改该系统，这允许保持系统的原始功能。将收集的PL信号集中在光纤中并引导到检测单元，该检测单元包含Shamrock SR-193i-B1-SIL光谱仪，其中标准SMA光纤安装端口和ANDOR技术的512像素Ingaas Camera Idus Ingaas Du490a-1.7。

检测单元由另一个计算机系统单独控制，与Labram Aramis分开。然而，两个系统的同步，例如同步的拉曼和PL映射在同一位置是可以通过两个单位之间的外部TTL连接。

在缓冲层的CZTSSe吸收材料上测定了光致发光光谱。激励由532 nm半导体激光器在< 3 mW的激光功率下进行，在测量过程中降低激光功率以排除可能的漂白/降解对样品的影响，同时保持足够高的功率以获得良好的信噪比。为了获得光谱校准的测量结果，在PL前测量白光校准灯的光谱，以获得记录的PL数据的光谱校正功能。需要指出的是，这种校准光谱必须针对系统的所有配置/设置，即光谱仪/探测器、光学滤光片、物镜等的不同中心波长。为此目的，校准灯放置在样品台旁边，并放置白色反射标准而不是样品。

结果

一组测量的PL谱图绘制在图1中。图中显示的主要是用于评价的光谱的高能部分。根据普朗克广义定律[P。Wurfel期刊。半导体的光发射是准费米能级、样品温度和吸光度分裂的函数，可以用简化的方式表示为

A:吸收率，E_拍摄:光子能量，QFLS:准费米能级的分裂。对于A=1和E_拍摄该表达式可进一步简化为

在这种情况下，该表达对于光子能量> 1.05eV有效，其中统一饱和，由于测量的CZTSSE吸收剂的高吸收系数和使用厚度。在图2中，相同的光谱在分割后的日志刻度中绘制²_拍摄．

光谱的高能量部分遵循eqn中的线性行为。2.光谱评估表明，与标准CdS缓冲液相比，替代缓冲液的准费米能级分裂明显减少了30 meV以上。这一结果表明，要么吸收器/缓冲界面钝化较差，要么替代缓冲引入了新的缺陷。另一方面，混合结构的应用表明，与标准结构相比，准费米能级的分裂明显增强了约20 meV。这可以用改进的界面状态钝化来解释。更大的准费米能级分裂可以被认为是光激发态整体质量的增强，如上所述，可以预期导致更高的V_OC.在最后的太阳能电池。

最后，基于类似的吸收材料制作了太阳能电池，证实了V的定性趋势_OC.，这是通过从PL测量中提取准费米能级分裂的趋势来预测的。详细地说，PL定量数与器件上的电子测量值之间的差异表明，与替代缓冲形成的界面受到的影响明显大于PL所预测的，这表明额外的输运障碍的形成。它们的影响仅体现在最终设备的电子测量中。V_OC.该方法的主要改进来自于界面状态的钝化，从而导致了更大的准ifermi能级分裂。

致谢

感谢Oldenburg大学物理研究所工作组UND (Ultrafast Nanoscale Dynamics) Levent博士Gütay。

参考

David Regesch, Levent Gütay，[…]和Susanne Siebentritt, Appl。理论物理。3、CuInSe2的降解和钝化。

Levent Gütay, David Regesch，[…]，Susanne Siebentritt, Appl。理论物理。铜过量对cuine2吸收剂质量的影响。

托马斯Unold，LeventGütay，Wiley，Book第11章：薄膜太阳能电池的光致发光分析，书：薄膜太阳能电池的高级表征技术