神助攻！磷元素让你的太阳能电池强劲起来

材料牛注：开路电压是影响碲化镉太阳能电池效率的重要因素之一，然而经过数十年的优化，开路电压却维持在840-880mV不变。现在美国国家可再生能源实验室和田纳西大学的研究人员合作，在碲化镉中掺杂磷元素，成功将电池的开路电压提高至1V以上。快来看看是怎么回事吧！

一般碲化镉薄膜太阳能电池结构示意图

为了实现太阳能光伏发电与化石燃料电网平价，发展高性价比的太阳能电池就变得势在必行。过去的十年中，由于碲化镉（CdTe）薄膜光伏电池加工成本底以及其效率高达22%等优点，已成为多晶硅电池潜在的竞争者。同时理论计算表明，在无需任何电池结构或加工工艺改进的情况下，CdTe太阳能电池的效率可达到24-25％。

其中，太阳能电池的效率是由开路电压，短路电流密度以及填充因子这三个参数的组合计算得到。CdTe光伏电池三个参数的理论极限值分别为：开路电压约1.2V，短路电流密度约31mA/cm²，以及填充因子约90％。有记录表明，CdTe太阳能电池的短路电流密度已接近理论极限，其填充因子也达到很高的水平。然而经过数十年的优化，其开路电压仍维持在840-880mV不变，这远低于理论极限值。因此，要达到最大的理论效率值，显然要在提高开路电压方面做出改进。

CdTe电池开路电流的限制主要源于其受主密度低和少数载流子寿命短的缺点。在传统的研究和工业制造中，使用氯化镉（CdCl₂）使碲化镉层转换成p型半导体。但是，经过CdCl₂处理后的受主密度在10E¹³–10E¹⁴cm⁻³量级内，少数载流子寿命为几百皮秒。为了实现电池开路电压大于1V，受主密度和少数载流子寿命必须同时增加两个数量级，分别达到10E¹⁶–10E¹⁷cm⁻³ 以及约50ns或更高。这表明注重材料本身的品质是非常必要的。

这一局限性被认为是由于经过CdCl₂处理之后导致材料中出现了缺陷化学里的补偿效应所引起的。在处理过程中，Cl原子替代CdTe中的Te原子并作为施主原子。但当有大量的镉空位存在时，氯取代基会形成镉空位缺陷复合体。该复合体是一种浅能级受主。这些缺陷复合体的量应明显高于氯取代基的量，以至于使CdTe成为良好的p型半导体。然而加入过多的氯原子使得双缺陷出现的概率提升，这导致了一定程度上掺杂效果的丧失。其结果是，实验获得的最高受主密度大约在10E¹⁴–10E¹⁵cm⁻³范围内。

与标准流程不同的是，华盛顿州立大学的Kelvin Lynn教授以及Tursun Ablekim等利用磷作为掺杂剂。在这种情况下，磷原子代替碲原子并作为受主原子。当然，磷原子也可以在镉位点处形成补偿缺陷或镉空位缺陷复合体。这两种缺陷都是施主型杂质原子缺陷，其可以中和磷原子的掺杂效果。晶体生长过程中，在原料中掺杂大量的磷可能会导致掺杂团簇，以至于无法发挥磷原子的掺杂作用。所以在结晶时严格控制磷的总量及化学计量（如制备非化学计量比的富镉或富碲的条件下）是获得具有高受主杂质密度以及长寿命少数载流子的高品质CdTe的关键。

图文解读

最后，在与国家可再生能源实验室和田纳西大学最近的合作中，Kelvin Lynn教授证实：使用掺杂磷的单晶CdTe制备太阳能电池其开路电压可超过1V（见图1）

图1.磷掺杂碲化镉（CdTe）光伏电池的电流密度与电压(V_oc)关系的曲线

在晶体生长和后期处理过程中严格控制条件，可使得磷掺杂晶体的受主密度成功提升至10E¹⁶–10E¹⁷cm⁻³范围内，同时少数载流子寿命延长至50-400ns之间。由这些数值得出的高开路电压理论值，甚至可以和砷化镓相媲美（见图2）。

图2.碲化镉（CdTe）样本的受主寿命与受体密度的双对数曲线

Kelvin Lynn教授表示：“我们使用厚度为0.8mm的块状CdTe单晶体片作为概念验证样本，证实该太阳能电池能实现开路电压大于1V。为了扩大我们的研究规模以实现商业化生产的目标，我们未来将调查研究以掺杂磷的晶体为原料所沉积薄膜的潜在用途。”

原文链接：Solar cells based on cadmium telluride with an open-circuit voltage greater than 1V

本文由编辑部封蕾供稿    李全编译    黄超审核