薄膜太陽電池系列講座(5)碲化鎘(CdTe)薄膜太陽電池及其光學檢測(下)

美國國家可再生能源實驗室 密歇根大學電子工程與計算機科學系 ■ 李劍

圖4碲化鎘薄膜的生長條件除了氬氣壓強在2.5～50mTorr范圍內變化外，其他沉積條件都保持一樣。從圖中可以看到：(1)所有薄膜在沉積初期(體層1～2nm厚)都有相對較厚的表面粗糙層。這時沉積下來的碲化鎘容易聚成“島”狀而不是平鋪成層狀，“島”的高度隨氬氣壓強增加而單調增加；(2)體層厚度2～10nm之間，上述分離的島狀沉積體擴大后相互接觸，底部變成了連貫的體層，因此表面粗糙層厚度降低；(3)體層厚度10nm以上，表面粗糙層的厚度再次增加，而且增加的速率隨氬氣壓強而明顯不同。在2.5～14mTorr范圍內，表面粗糙層厚度隨氬氣壓強增加而單調增加(差別達10倍左右)，而在14～50mTorr范圍內，表面粗糙層厚度隨氬氣壓強增加而單調減少。有趣的是，用這套沉積系統制作高效碲化鎘電池的最佳氬氣壓強正是在表面粗糙層厚度發生變化的交界壓強14mTorr附近(10～18mTorr)。這其中內在的聯系目前還不太清楚。圖4中體層厚度50nm左右曲線的不連續性，是由于試驗中在這個厚度沉積曾暫停下來，以便精確測量薄膜光學性質隨溫度的變化。在這個過程中一部分碲化鎘升華。從這個不連續性也可以看出原位橢偏學的高靈敏度。

除了對薄膜厚度的觀測以外，原位橢偏學還能充分發揮其對材料表面光學性質的高度敏感而跟蹤薄膜表面層的化學成分。例如，在碲化鎘電池中，硫化鎘層的厚度遠小于碲化鎘層，它們的界面正是p-n結的位置所在，其性質對整個器件的成敗至關重要。原位實時橢偏學的觀測表明，在圖5對應的生長條件下，如果在硫化鎘層上生長碲化鎘(襯底朝上型電池，參見圖5的上半部分），則硫原子會擴散到碲化鎘層，形成CdTe1-xSx。其中x在碲化鎘層生長了10nm后仍然達到2%左右；如果生長順序相反，即在碲化鎘層上生長硫化鎘(襯底朝下型電池，參見圖5的下半部分)，碲原子也會擴散到硫化鎘層，但其原子比例在硫化鎘層達到生長了8nm左右就接近零[11]。由此可見硫原子在碲化鎘中的擴散性能要好于碲原子在硫化鎘中的擴散性能。

除了薄膜生長實時動態過程的觀測以外，原位光學檢測得到的材料光學性質也很有價值，可以用來做更深一步的分析，從而了解材料的其他性質。圖1中的復介電常數曲線都是在原位橢偏學測量中得到的。可以看到，圖1(a)和(b)中兩種材料的臨界點的尖銳程度，或峰的寬度都有明顯區別，這反映出材料內缺陷密度的區別。理論上，臨界點附近的價帶頂電子吸收能量等于導帶－價帶能量差(稱為“臨界點能量”)的入射光子后就躍遷到對應的導帶，產生電子空穴對即光生載流子，并可以在理想晶格的較大空間范圍內自由移動。但材料內的缺陷以及晶格振動(即聲子)都會對載流子進行散射，從而縮短載流子的壽命。根據量子力學的測不準原理，載流子能量的不確定性與其壽命成反比。因此，內缺陷密度較高的材料，其載流子能量的不確定性比較大；直觀上，其介電常數曲線中的臨界點寬度比較寬。理論計算表明：

其中：Γn表示多晶材料中第n個臨界點的寬度；Γbn表示相同測量溫度下對應單晶材料的第n個臨界點寬度(理論上而言，理想晶格在絕對零度時Γbn應該為零)；h為普朗克常數；υgn是第n個臨界點對應的載流子的群速度；λ是散射源之間的平均距離[12]。在多晶薄膜材料中，除非晶粒內有高密度的缺陷，否則λ可近似認為與平均晶粒尺寸相當，因為這時晶界散射很可能是載流子散射的主要機制。

式(3)中的Γn和Γbn可以通過對相應材料的復介電常數曲線進行擬合得到[13]。如果能帶形狀的細節結構已知，則可以推算出υgn，進而通過式(3)而得到λ；反過來，如果λ已知，則可以通過式(3)而得到υgn。而且式(3)適用于同一材料的多個臨界點(對應不同υgn)，因此可用來檢驗分析方法的一致性。圖6顯示的是用這一方法得出的碲化鎘和硫化鎘的Γn隨1/λ的分布。可以看到，式(3)所預測的線性關系得到了較好的滿足。從相應的線性擬合得到的斜率，可以計算出圖中顯示的導帶電子υgn(空穴的υgn較小，對Γn的貢獻遠小于導帶電子[12])。

五 結語

碲化鎘薄膜太陽電池是第二代光伏器件中很有前景的一項技術。理論計算和實驗經驗都表明，把單結碲化鎘電池的能量轉換效率提高到20%左右是完全有可能的[3,4]。當然，這需要對材料的物理、化學性質和薄膜的生長過程進行更加深入細致的研究。以橢偏學為代表的光學檢測手段為這種研究提供了一種獨特而有力的工具。

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