Origin of the Improved Performance of Cu(In,Ga)(S,Se

碱金属 带偏移量 材料科学 导带 偏移量(计算机科学) 物理 格子(音乐) 凝聚态物理 价带 结晶学 带隙 计算机科学 化学 量子力学 电子 声学 程序设计语言
作者
Y. D. Zheng,Le Huang,Boyan Li,Rong Wang,Su‐Huai Wei
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:15 (6) 被引量:11
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.15.064036
摘要

Postdeposition treatment (PDT) with alkali metals has profoundly improved the performance of $\mathrm{Cu}(\mathrm{In},\phantom{\rule{-1.5pt}{0ex}}\mathrm{Ga})(\mathrm{S},\phantom{\rule{-1.5pt}{0ex}}\mathrm{Se}{)}_{2}$ solar cells. Several mechanisms have been proposed to explain the improved performance, but the exact origin is still under debate. Here, using first-principles calculations, we demonstrate that alkali metals tend to accumulate at the interface, which significantly improves the band offset between the absorber and the alkali-metal-doped ${\mathrm{Cu}}_{1\ensuremath{-}x}{\mathrm{Na}}_{x}(\mathrm{In},\phantom{\rule{-1.5pt}{0ex}}\mathrm{Ga}){\mathrm{Se}}_{2}$ buffer layer. Our results show that, as the fraction of $\mathrm{Na}$ increases, the valence-band maximum (VBM) of the alloy layer decreases, while the conduction-band maximum (CBM) increases. The drop of the VBM introduces a hole barrier, repelling holes away from the interface, and a moderately higher CBM forms a benign spikelike conduction-band offset (CBO) against the absorber layer independent of the $\mathrm{Ga}$ concentration. Both effects are beneficial for the solar-cell efficiency and exhibit extra advantages over the ordered vacancy compound (OVC), which commonly exists before the PDT, because, although the OVC can introduce the hole barrier, it also introduces a detrimental clifflike CBO, especially at a high $\mathrm{Ga}$ concentration. Such understandings of band offsets introduced by PDT can further be extended to other alkali metals, such as $\mathrm{K}$, $\mathrm{Rb}$, and $\mathrm{Cs}$, and the design principles can also be extended to other types of thin-film solar cells.
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