高轉(zhuǎn)化效率CdTe薄膜太陽(yáng)能電池研究與制備.pdf

1、CdTe是一種直接帶隙Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，理想的禁帶寬度與很高的光吸收系數(shù)使其成為第二代高效率低成本太陽(yáng)能電池的主要成員之一。CdTe薄膜太陽(yáng)能電池是目前薄膜電池中組件效率最高的一種電池。最近的報(bào)道顯示CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的最高轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到18.7％，電池組件也實(shí)現(xiàn)了16.1％的轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)一步擴(kuò)大了該電池的應(yīng)用前景與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。然而，要獲得高轉(zhuǎn)化效率的CdTe薄膜太陽(yáng)能電池卻要面對(duì)許多問題:CdTe薄膜太陽(yáng)能電池由CdS與Cd

2、Te兩層多晶薄膜形成異質(zhì)PN結(jié)，多晶薄膜相對(duì)單晶來講具有更多的晶體學(xué)缺陷;CdTe的高功函數(shù)使其背電極的歐姆接觸很難獲得;CdTe的載流子濃度較低且難于摻雜;摻雜元素的擴(kuò)散也會(huì)嚴(yán)重影響電池的穩(wěn)定性。本論文主要針對(duì)如何制備高效率的CdTe薄膜太陽(yáng)能電池進(jìn)行了一系列研究與探索，并對(duì)CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的機(jī)理進(jìn)行了研究與分析。
　　第一章中，本文首先討論了太陽(yáng)能電池發(fā)電的應(yīng)用前景與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，然后介紹了太陽(yáng)能電池發(fā)電的基本原理與性能分析

3、，最后介紹了CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程以及電池的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)和工作原理。
　　第二章中，本論文對(duì)CdS和CdTe薄膜的制備與熱處理工藝進(jìn)行了研究。對(duì)CdS化學(xué)水浴法的改進(jìn)提高了CdS預(yù)制膜的質(zhì)量與實(shí)驗(yàn)的可操作性，可根據(jù)需要制備任意厚度的高質(zhì)量CdS薄膜。研究了影響近空間升華法制備CdTe薄膜的多種因素，并結(jié)合器件需要制備了均勻平整的CdTe薄膜。建立了CdCl2氣相熱處理系統(tǒng)與工藝。該工藝可以顯著提高CdS薄膜的重結(jié)晶速度，并有

4、效地防止CdS薄膜表面的過度氧化。通過該熱處理工藝得到的CdS薄膜具有均勻、致密、單層大晶粒的優(yōu)良形貌。高質(zhì)量的CdS預(yù)制膜以及有效的熱處理工藝，使得我們可以采用厚度僅80 nm的CdS薄膜作為電池的窗口層，并且所獲得的PN結(jié)具有優(yōu)良的品質(zhì)，為高效率電池的制備奠定了基礎(chǔ)。開展了對(duì)CdTe薄膜采用CdCl2氣相熱處理的研究，研究了CdCl2氣相熱處理對(duì)CdS/CdTe互擴(kuò)散的促進(jìn)，以及由CdS與CdTe互擴(kuò)散引起的電池反型層的出現(xiàn)。通過熱

5、處理?xiàng)l件的優(yōu)化，采用氣相CdCl2熱處理的CdTe薄膜制備的電池轉(zhuǎn)化效率取得了較高的電池轉(zhuǎn)換效率。
　　第三章中，主要介紹了對(duì)CdTe薄膜電池背電極制備的研究。研究了磷酸硝酸溶液對(duì)CdTe薄膜表面的刻蝕，發(fā)現(xiàn)經(jīng)磷酸硝酸溶液刻蝕得到的富Te層在沒有Cu摻雜的情況下即可以有效降低背電極處的肖特基勢(shì)壘。系統(tǒng)研究了背電極Cu的摻雜對(duì)電池性能的影響以及由Cu的擴(kuò)散引起電池穩(wěn)定性的問題。研究結(jié)果表明CdTe內(nèi)少量Cu的摻雜可以提高薄膜的載流子

6、濃度，提高電池的填充因子與開路電壓;而過量Cu的擴(kuò)散會(huì)造成薄膜摻雜的反向補(bǔ)償，導(dǎo)致CdTe薄膜電阻率升高，電池的填充因子嚴(yán)重下降;Cu的進(jìn)一步擴(kuò)散則會(huì)導(dǎo)致薄膜晶粒邊界處大量Cu的富集，引起電池的短路。研究了CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的多種背電極的制備。主要包括:碳漿背電極、Cu-Au合金背電極以及新型MoO3緩沖層背電極。在高質(zhì)量薄膜制備、有效的CdCl2熱處理工藝以及對(duì)背電極Cu擴(kuò)散深入研究的基礎(chǔ)上，分別采用三種背電極獲得了13.0％、1

7、4.6％和14.2％的高轉(zhuǎn)化效率。
　　第四章中，主要介紹了對(duì)CdTe薄膜太陽(yáng)能電池I-V曲線的分析方法以及對(duì)不同Cu分布電池的變溫特性研究。模擬了電池串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、理想因子以及反向飽和電流在電池I-V曲線上的反映。通過電池變溫特性的測(cè)試與分析，研究了CdTe薄膜的導(dǎo)電機(jī)制隨溫度與Cu擴(kuò)散的變化，結(jié)合電池的I-V曲線與樣品中Cu的分布研究了電池內(nèi)Cu的擴(kuò)散、濃度與缺陷狀態(tài)等對(duì)電池性能的影響。通過對(duì)開路電壓與反向飽和電流的分析