CdSe厚度对CdSe（1-x）Te（x/CdTe）太阳能电池中空洞和缺陷的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Impact of CdSe thickness on voids and defects in CdSe 1-xTe x/CdTe solar cells

CdTe薄膜太阳能电池中硒掺杂形成梯度带隙CdSe???Te?（CST）吸收层，研究显示随着CdSe层厚度增加（50-400 nm），主导缺陷能级加深（230±7 meV→485±48 meV），并伴随Kirkendall空洞扩大，导致光电流密度下降，但开路电压因界面复合改善而上升。通过DLTS、SEM和SIMS分析揭示了缺陷态扩展与空洞形成对电学性能的复杂影响。

　　
本文研究了硒（Se）掺杂对镉 telluride（CdTe）薄膜太阳能电池性能及缺陷行为的影响。研究团队通过系统调控CdSe扩散层厚度，在SnO?/CdSe/CdTe/SnO?/Au和SnO?/CdS/CdTe/Au两种器件结构中开展了对比实验，发现Se的引入对器件性能和缺陷分布产生双重效应。

在器件结构方面，传统SnO?/CdS/CdTe器件通过RF溅射制备120nm厚CdS窗口层，而新型SnO?/CdSe/CdTe器件则采用50-400nm不同厚度的CdSe层，通过高温退火实现CdSe与CdTe的互扩散形成梯度带隙的CdSe???Te?（CST）层。实验发现，随着CdSe层厚度增加（50nm→400nm），CST层中Se含量显著提升，SIMS分析显示Se扩散深度可达200μm以上，但过度掺杂（400nm CdSe）导致前表面出现500-900nm直径的Kirkendall空洞，这与微观结构表征结果一致。

器件性能方面呈现复杂趋势：虽然Voc随着Se含量增加从560mV提升至690mV，但Jsc却从26.1mA/cm2下降至9.8mA/cm2，整体效率从8.8%降至4.1%。EQE谱显示，200nm以上CdSe厚度时，紫外光区EQE急剧下降（<30%），而红外波段EQE仍保持较高水平（>80%），这直接反映了前表面缺陷区域对短波长光吸收的阻碍作用。

缺陷分析通过深能级瞬态谱（DLTS）技术揭示，电活性缺陷能级从无Se时的230±7meV向高Se含量（100nm CdSe）的355±4meV加深，400nm CdSe器件中出现485±48meV超深缺陷，且峰形显著展宽。这表明随着Se含量增加，CdTe晶格中形成深度增强的缺陷态，可能为Cd??空位等深能级缺陷，其捕获截面从10?1?cm2增至10?13cm2，显示缺陷活性增强。

微观结构表征显示，CdSe层厚度与空洞尺寸呈正相关：100nm CdSe产生100-300nm空洞，400nm时空洞扩展至500-900nm。EDS分析证实这些空洞区域存在Se/Te比例异常（Se/Te≈1:2），与CdSe/CdTe界面扩散不均衡有关。值得注意的是，200nm CdSe样品因接触失效无法进行DLTS分析，但SEM显示其空洞密度最高，推测为最优缺陷形成条件。

器件性能的矛盾趋势揭示了多机制并存：Voc提升源于SnO?/CST界面带势优化（工作函数从4.8eV降至4.5eV），界面复合减少使 quasi-Fermi能级分裂增大。然而Jsc下降主要受限于前表面缺陷：当CdSe厚度超过200nm时，空洞区域形成宽域复合中心，短波长光生载流子在此处快速复合（EQE<30%），导致整体光电流下降。这种现象在传统CdS/CdTe器件中也有类似表现，但通过Se掺杂原本可改善的缺陷态反而因过度扩散形成更严重的复合区。

实验创新点在于：1）首次系统揭示CdSe厚度与Kirkendall空洞形成的关系，建立厚度-空洞尺寸-缺陷能级的量化模型；2）发现Se含量与Voc的非线性关系，提出界面复合优化与体缺陷复合的竞争机制；3）通过EQE与SEM的协同分析，提出"埋栅效应"新解释，即前表面缺陷区对长波长光（>600nm）仍有一定收集能力，但对紫外光产生选择性衰减。

该研究对CST结构的应用提出重要警示：过厚的CdSe层（>200nm）虽能改善带隙工程，但会引发不可控的界面缺陷累积。未来优化方向应聚焦于：1）精确控制CdSe/CdTe界面扩散动力学，避免Kirkendall空洞过度生长；2）探索Se掺杂与其他钝化技术（如氧空位补偿）的协同效应；3）开发原位表征手段，实时监测扩散过程中缺陷动态演变。该成果为CST器件的工程化应用提供了关键参数参考，特别是建议将CdSe层厚度控制在100nm以内，同时优化退火工艺（如引入Cl掺杂补偿）以平衡带隙优化与缺陷抑制的双重需求。