王文武，　蒋亚男

(四川大学 材料科学与工程学院，成都 610064)

0　引　言

量子效率(QE)是指每一个入射的光子能够转换成可以传输到外部电路的电子的能力，反映不同波长的光子产生电子-空穴对的能力，可用于分析器件的光电子损失机制、吸收层与窗口层的互扩散情况，背接触层的影响等。QE分为内量子效率(IQE)和外量子效率(EQE)。

标准光强下，零偏压/暗态下测量的QE曲线称为标准的QE；把加了偏压或者偏置光以及高斩波频率等非标准条件下测得量子效率称为表观量子效率(Apparent Quantum Efficiency，AQE)[1-2]。AQE可作为一个有效的分析电池器件结构的方法。

本文在不同条件下测试不同结构的CdTe太阳电池的QE。根据不同的波长区域的偏压QE的结果，分析窗口层、吸收层及背接触层的情况以及反向结的形成与其相关关系等。同时结合不同波长的偏置光进行偏置光偏压QE的测试，更进一步地分析太阳电池器件性能与量子效率关系。通过实验建立了一种CdTe太阳电池器件性能分析方法。

1　测试设备

QE测试使用美国PV Measurements, Inc.生产的QEX10量子效率测试系统，其结构示意图如图1所示。300～1 000 nm波段的重复测量偏差小于0.3%。

图1量子效率测试系统结构示意图

QEX10系统采用氙灯光源，通过双栅单色仪和滤光片得到单色光。光源经过椭球反射镜和滤光片汇集，再经由斩波器形成脉冲光，聚焦在光栅单色仪狭缝入口，分成不同波段的单色光。单色光被分成两束，一束光通过标准探测器进行光强功率标定；另一束光直接照射到测试样品上并产生交流电信号，通过锁相放大器测定光电流大小，得出测试样品的量子效率值。该测试系统中可以通过加不同波长的滤光片来进行特定光谱范围的单色光。

制备了不同结构的CdTe太阳电池进行不同条件下测试，电池完整的结构为：FTO/HRT(高阻)/CdS/CdTe/BC(背接触)/Au。

2　偏压量子效率分析

零偏压时，在吸收层耗尽区内产生的光生载流子会在结电场内分离，而在耗尽区外产生的光生载流子需要先扩散到耗尽区，在扩散过程中容易被复合中心捕获而不能被两极收集。而在电池两极施加正向或反向偏压可以来分析CdTe吸收层不同深度位置对光子的吸收和光生载流子的收集[1-2]。

对电池施加反向偏压时，CdTe吸收层的耗尽区边界向背接触层界面靠近，pn结电场强度增强，电池的QE一定增加。

对电池施加正向偏压时，正向偏压产生的电场和pn结电场相反。正向偏压逐渐增大时，耗尽区边界向结界面靠近， pn结电场强度减弱，甚至消失。在正向偏压大于某一偏压后QE会发生明显的变化，即AQE。对于不同结构的CdTe电池，加正向偏压后会有不同的AQE现象，因此AQE可以有效表征器件性能与器件结构关系。

2.1　无背接触、无高阻的CdS/CdTe电池

对电池加上正向偏压，在偏压大于一定值时，AQE值会小于0。如图2所示，由于CdS较薄，短波光子复合少，未加偏压的短波量子效率损失较少。在正向偏压下由于pn结被削弱，而背部的反向肖特基结被加强，从而产生一个较大的反向电流。

图2　无HRT、BC层CdTe电池的偏压量子效率

2.2　有背接触的CdTe电池

2.2.1结构为FTO/HRT/CdS/CdTe/BC/Au的太阳电池

当CdS较厚时(>80 nm)，会出现AQE绝对值大于1的现象(见图3(a))，AQE随着正向偏压的增大先增大后减小。在正向偏压大于0.8 V(电池的开路电压)时，AQE开始减小。Batzner等[3-4]认为短波是 AQE>1，主要是CdS中光电导的原因，随着载流子在窗口层的产生，缺陷趋于饱和，导电性会增强，同时i-CdS的势垒也会相对减小，即CdS层存在强的电压降，或者更复杂的不明确的势垒。

(a)

当CdS较薄时(<80 nm)，有无HRT缓冲层都没有观察到AQE>1的现象，如图3(b)所示。考虑出现的反常现象，除了CdS中光电导的原因外，推断这种AQE现象还与前端CdS/CdTe界面结构有关。

2.2.2结构为FTO/CdS/CdTe/BC/Au的太阳电池

CdS较厚时(>80 nm)，短波300～500 nm附近偏压量子效率随着偏压的增大而变小。在有和无HRT的CdTe电池中都观察到短波区域AQE>1反常现象(图3(a)，图4(a))，表明HRT缓冲层对短波的影响相对较小。CdS区域内的AQE峰与CdS的光电导有很大关系，同时CdS/CdTe异质结面的状态也对AQE有潜在的影响[4]。

在800～850 nm波段的AQE(图4(b))的正负情况可以直接反映半导体和金属电极形成欧姆接触的情况，即电池背接触层的肖特基势垒是否被较好的消除。AQE值越小，表明后端的金属-半导体结没有很好地通过沟道输运机制形成欧姆接触。800～850 nm的负峰是由于红光光子渗透到电场和主结相反的背接触区，只有光子能量接近吸收材料带隙的光子会渗透到器件,然后在背接触被收集[5-6]。

(a) 有BC层电池

(b) 无BC层电池

2.3　直流和变频偏压量子效率

通过调节斩波器的斩波频率，可测量不同频率下的偏压QE(图5(b))，同时可以结合偏置光源进行进一步的测试分析。图5(a)对比了400 nm波长的直流和交流信号下的偏压QE幅值变化趋势。不同于直流模式的单调变化，交流模式下偏压QE不是单调变化的，具体原因有待进一步研究[6]。从图5(b)中可看出，随着斩波频率的降低，短波附近QE的绝对值单调递增。在更高频率(1.0 kHz)可以得到从各自带隙捕获或发射深能级缺陷的能量大小[7-8]。

(a) 400 nm波长

(b) 偏压0.8 V

3　偏置光量子效率分析

实验中用到的偏置光分别为450、700和850 nm 3个波段，半强度宽度为40 nm。通常CdS/CdTe太阳电池光谱划分为“CdS区”(350～550 nm)、“红光区”(550～800 nm)和“禁带(Eg)区”(800～850 nm)[9-10]。外加不同波长的偏置光会对CdS/CdTe电池不同部分的光吸收产生影响，比如短波偏置光影响CdS光电导，会导致吸收层材料的耗尽区宽度随光照增。光的主要作用是使耗尽层扩大。在光照条件下，CdS中深受主对浅施主的补偿提高[10-12]。

图6表明4 Hz和120 Hz斩波频率下长波偏置光的光谱响应差别很大(直流模式和4 Hz频率下的测量结果一致)。长波偏置光(700 nm和850 nm)的效果随光波频率的增加而减小，而图6表明蓝光或白光下的QE与频率无关。在红、蓝和白色偏光下光电流的获得不均匀。Hegedus等进行了详细的模拟和解释，红光会明显增加短波的AQE，这是AQE>1的原因之一，而蓝光和白光增加红光区AQE，但幅度很小[7]。

外加的蓝偏置光波长为450 nm，半波强宽度为10 nm，光子主要在CdS层被吸收。一些光生空穴被深受主态捕获，剩下光生电子有效增加了硫化镉层N型特征。从图6可以看出，加了波长450 nm蓝色偏置光的QE并没有发生很大的变化。蓝偏置光会产生更多的自由电子，而没有在CdS区产生很大数量的缺陷态，增加CdS层的N型特征，从而扩宽了CdTe耗尽区宽度而且提高了光子收集效率，所以AQE变化微弱[4]。外加700 nm或850 nm波长的偏置光，CdS区的响应明显增强，可能是因为CdS中电阻的变化。针对碲化镉的吸收边，带隙Eg附近850 nm的偏置光，对比700 nm的偏置光下的量子效率。接下来可以通过对比对不同背接触层结构，得出Eg附近光子的吸收情况。

白色偏置光中有蓝色和红色光量子，表现出和蓝光相似的效果。如图6所示，白偏置光下的QE和小的正向偏压QE类似。导带在暗态下轻微的光照下，暗态下的收集更高(无偏置光)。在白色偏置光下，由于导带的光生电子富集，吸收层变成弱p型[11-13]。

(a) 4 Hz

(b) 120 Hz

用蓝光作为偏置光对电池进行照射，通过调节光源电压的大小来观察量子效率的影响，光强2明显大于光强1。实验结果表明(见图7)，偏置光强的强弱对不加偏压的量子效率的影响比较微弱，但如果加大偏压再进行不同光强的照射，会发现光强的影响会比较明显，在Uoc附近差异最大，但更高偏压下这种影响幅度会变弱。在此基础上进一步测试偏压下偏置光对电池的量子效率影响，再结合稳态单色光I—U[14-15]和AQE的表现对CdS和CdTe缺陷进行定性判定。

(a)

(b)

4　结　语

研究了在CdS/CdTe薄膜太阳电池中量子效率可以作为一种有效的测试方法来判断电池的内部器件结构。简要介绍了光谱响应设备QEX10的光路工作原理，以及在加正向偏压或反向偏压会对碲化镉太阳电池耗尽区影响，并结合不同结构的碲化镉电池结构的表观量子效率，做了进一步的分析讨论。对比分析直流模式和不同频率交流模式下的偏压量子效率，并得到同一波长量子效率的幅值随频率增大而单调减低。通过对比不同波长偏置光或偏压下的量子效率对电池的窗口层和吸收层进行具体分析，可以了解量子效率与电池结构的相互促进或制约的关系，从理论上对电池各膜层的制备工艺起到指导作用。

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