Light- and bias-induced metastabilities in Cu(In,Ga)Se2 based solar cells caused by the (VSe-VCu) vacancy complex

硒化铜铟镓太阳电池 亚稳态 接受者 材料科学 太阳能电池 带隙 异质结 光电子学 开路电压 空位缺陷 化学物理 凝聚态物理 化学 电压 物理 有机化学 量子力学
作者
Stephan Lany,Alex Zunger
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:100 (11) 被引量:342
标识
DOI:10.1063/1.2388256
摘要

We investigate theoretically light- and bias-induced metastabilities in Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) based solar cells, suggesting the Se–Cu divacancy complex (VSe-VCu) as the source of this hitherto puzzling phenomena. Due to its amphoteric nature, the (VSe-VCu) complex is able to convert by persistent carrier capture or emission from a shallow donor into a shallow acceptor configuration, and vice versa, thereby changing in a metastable fashion the local net acceptor density inside the CIGS absorber of the solar cell, e.g., a CdS/CIGS heterojunction. In order to establish a comprehensive picture of metastability caused by the (VSe-VCu) complex, we determine defect formation energies from first-principles calculations, employ numerical simulations of equilibrium defect thermodynamics, and develop a model for the transition dynamics after creation of a metastable nonequilibrium state. We find that the (VSe-VCu) complex can account for the light-induced metastabilities, i.e., the “red” and “blue” illumination effects, as well as for the reverse-bias effect. Thus, our (VSe-VCu) model implies that the different metastabilities observed in CIGS share a common origin. A defect state in the band gap caused by (VSe-VCu) in the acceptor configuration creates a potentially detrimental recombination center and may contribute to the saturation of the open circuit voltage in larger-gap Cu(In,Ga)Se2 alloys with higher Ga content. Therefore, the presence of metastable defects should be regarded as a concern for solar cell performance.
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