具有碲鉬多層復(fù)合薄膜的碲化鎘太陽(yáng)電池的制作方法
【專(zhuān)利摘要】具有碲鉬多層復(fù)合薄膜的碲化鎘太陽(yáng)電池，屬于新能源材料與器件領(lǐng)域。這種太陽(yáng)電池采用一種碲鉬多層復(fù)合薄膜作為碲化鎘太陽(yáng)電池的無(wú)銅過(guò)渡層。一方面，由于過(guò)渡層具有碲的析出相，因此在碲化鎘退火后，無(wú)需采用濕法工藝獲得富碲層。如果采用干法工藝，也無(wú)需單獨(dú)沉積一碲層。另一方面，過(guò)渡層具有碲化鉬的主相，作為p型半導(dǎo)體，與碲化鎘價(jià)帶不連續(xù)很小，可起到很好的過(guò)渡作用，實(shí)現(xiàn)碲化鎘與金屬電極間的歐姆接觸。采用上述結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池，避免了化學(xué)腐蝕，實(shí)現(xiàn)了低電阻接觸，可有效提高太陽(yáng)電池的性能和改善器件的長(zhǎng)效穩(wěn)定性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有碲鉬多層復(fù)合薄膜的碲化鎘太陽(yáng)電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新能源材料與器件領(lǐng)域，特別涉及一種碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池的制備方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 利用半導(dǎo)體技術(shù)，直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，?shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏發(fā)電，將在緩解化石 能源枯竭、減少溫室氣體排放上起著至關(guān)重要的作用。十多年來(lái)，世界上一些主要國(guó)家都 在積極發(fā)展化合物薄膜太陽(yáng)電池，如銅銦硒太陽(yáng)電池、碲化鎘太陽(yáng)電池、新型染料敏化太陽(yáng) 電池。一方面，薄膜技術(shù)的采用有效降低了生產(chǎn)成本；另一方面，其光電轉(zhuǎn)換效率的提升也 降低了生產(chǎn)成本。這些化合物薄膜太陽(yáng)電池，尤以碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池的研發(fā)備受關(guān)注， 近三年來(lái)，小面積碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率從17. 3%提高到目前的20. 4%。隨 著小面積電池技術(shù)往組件上轉(zhuǎn)移，美國(guó)First Solar公司在2013年第四季度，組件的成本 降為$0. 56/W。在CdTe太陽(yáng)電池組件的制備過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)吸收層與金屬電極之間的歐姆接 觸是獲得穩(wěn)定、高效電池的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于CdTe的電子親和勢(shì)為4. 3 eV，與大多數(shù)的 金屬都難以形成低電阻接觸。因此，在工業(yè)化生產(chǎn)中，常采用化學(xué)腐蝕以去除CdTe表面雜 質(zhì)，獲得富Te層，隨后，沉積背接觸層，以減少背接觸勢(shì)壘的影響，從而實(shí)現(xiàn)CdTe與金屬背 電極間的歐姆接觸。富Te層對(duì)太陽(yáng)電池性能有重要的影響，可以增加短波響應(yīng)提升器件 的短路電流，可以改善CdTe與金屬電極間的接觸性能，使接觸電阻降低3-4個(gè)數(shù)量級(jí)（Sol Energy, 2009，83:134-138; JPhysChem Solids, 2010，71:404-406)，但化學(xué)腐蝕常帶來(lái) 如下問(wèn)題：毒性、反應(yīng)性、侵蝕性。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，會(huì)帶來(lái)器件穩(wěn)定性的消極影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了消除電池制作工藝中化學(xué)腐蝕帶來(lái)的缺陷，避免化學(xué)腐蝕對(duì) CdTe太陽(yáng)電池性能產(chǎn)生不良影響，進(jìn)一步改進(jìn)CdTe太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)，提高填充因子和開(kāi)路 電壓，從而獲得較高的光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是采用一種碲鑰（Te-Mo)多層復(fù)合薄 膜，添加在CdTe太陽(yáng)電池的吸收層CdTe與金屬電極之間，作為CdTe太陽(yáng)電池的無(wú)銅過(guò)渡 層，因此，太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)變?yōu)椋翰ＡВ?)八〇)$)/11-0(15(1)/?-0(11^仏)/碲鑰多層復(fù)合薄 膜（B1)/金屬電極（B2)。
[0005] 在上述方案中，碲鑰多層復(fù)合薄膜由碲鑰交疊組合在一起，堆垛順序?yàn)轫?鑰/碲 /鑰/···/碲/鑰。
[0006] 在上述方案中，碲鑰多層復(fù)合薄膜經(jīng)過(guò)后處理后，由碲化鑰的主相和碲的析出相 組成。
[0007] 在上述方案中，后處理指的是惰性氣體氣氛，退火溫度150°C飛00°C，退火時(shí)間為 10?60分鐘。
[0008] 采用上述方案制備的CdTe太陽(yáng)電池，一方面，由于過(guò)渡層具有碲的析出相，因此 在CdTe退火后，無(wú)需采用濕法工藝，比如化學(xué)腐蝕獲得富碲層。如果采用干法工藝，比如等 離子刻蝕，也無(wú)需單獨(dú)沉積一碲層。另一方面，過(guò)渡層具有碲化鑰的主相，作為P型半導(dǎo)體， 與 CdTe 價(jià)帶不連續(xù)很?。ㄡ?0.05eV) (SemicondSciTechnol, 2000，15: 514-522)，可起 到很好的過(guò)渡作用，實(shí)現(xiàn)CdTe與金屬電極間的歐姆接觸。采用上述方案，避免了化學(xué)腐蝕， 實(shí)現(xiàn)了低電阻接觸，可有效提高太陽(yáng)電池的性能和改善器件的長(zhǎng)效穩(wěn)定性。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1為具有碲鑰多層復(fù)合薄膜的碲化鎘太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)圖； 圖2為四周期的碲鑰多層復(fù)合薄膜堆垛順序圖； 圖3為碲鑰多層復(fù)合薄膜在后處理后的XRD圖譜。
[0010] 圖1-3中的符號(hào)：G為玻璃，F(xiàn)為透明導(dǎo)電膜，W為CdS，A為CdTe，B1為碲鑰多層 復(fù)合薄膜，B2為金屬電極，T為碲，Μ為鑰。

【具體實(shí)施方式】
[0011] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅限于實(shí)施例 中涉及的內(nèi)容。
[0012] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)(如圖1所示）為：玻璃（G) /透明導(dǎo)電膜（F)/η-硫化鎘（w)/p-碲 化鎘（A)/碲鑰多層復(fù)合薄膜（B1)/金屬背電極（B2)，它以碲化鎘太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)為 基礎(chǔ)，在P型CdTe (A)與金屬電極（B2)之間加入碲鑰多層復(fù)合薄膜（B1)。作為過(guò)渡層材 料，碲鑰多層復(fù)合薄膜（B1)由碲化鑰的主相和碲的析出相組成。圖2為四周期的碲鑰多層 復(fù)合薄膜堆垛順序圖，即先沉積Te，再沉積Mo,為了防止Te氧化，最后一層為Mo。圖3為 碲鑰多層復(fù)合薄膜經(jīng)過(guò)后處理的XRD圖譜，在衍射角2 Θ ~ 12. 8°附近為碲化鑰（1〇1^2)的 (002)衍射峰，2 Θ ~ 25. 7° 為 MoTe2 (004)衍射峰，2 Θ ~ 39. 2° 為 MoTe2 (006)衍射峰， 2Θ ^52. 9°為MoTe2 (008)衍射峰，同時(shí)，可觀(guān)察到碲的析出相Te (011)、Te (021)，即圖 3中標(biāo)注了菱形圖案的衍射峰。碲含量的多少與圖2中碲亞層和鑰亞層的厚度有關(guān)，也與后 處理的退火溫度與退火時(shí)間有關(guān)。由圖2堆垛順序結(jié)合圖3的XRD結(jié)果可見(jiàn)，在襯底和碲 鑰多層復(fù)合薄膜（B1)可以實(shí)現(xiàn)碲相（T)析出，有效擴(kuò)展短波響應(yīng)，降低接觸電阻，并避免器 件中因化學(xué)腐蝕帶來(lái)的毒性、反應(yīng)性和侵蝕性，以及由此導(dǎo)致的器件不穩(wěn)定性。而碲化鑰作 為P型半導(dǎo)體，與CdTe形成的界面價(jià)帶偏離很?。?lt; 0. 05 eV)，因此，與CdTe接觸時(shí)不會(huì)阻 擋空穴的輸運(yùn)，可起到很好的過(guò)渡作用，實(shí)現(xiàn)CdTe (A)與金屬電極（B2)間的歐姆接觸。因 此，本發(fā)明中，碲鑰多層復(fù)合薄膜（B1)的作用有兩個(gè)，一是取代化學(xué)腐蝕而產(chǎn)生碲，增加短 波響應(yīng)，降低接觸電阻，并消除器件中化學(xué)腐蝕帶來(lái)的不良影響，提高電池的穩(wěn)定性；二是 生成碲化鑰作為主要的過(guò)渡層材料，起到價(jià)帶連續(xù)的作用，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0013] 本發(fā)明實(shí)施例中采用的樣品為CdTe太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)中（圖1)不包含過(guò)渡層（B1)和 金屬電極（B2)的部分：玻璃（G)/透明導(dǎo)電膜（F)/n-硫化鎘（W)/p-碲化鎘（A)(即電池的 基本結(jié)構(gòu)：Glass/TCO/CdS/CdTe)。上述樣品經(jīng)過(guò)氯化鎘退火處理，可以等離子刻蝕或不進(jìn) 行等離子體刻蝕背表面，隨后沉積碲鑰多層復(fù)合薄膜（B1)，最后沉積金屬背電極（B2)即可 制備CdTe太陽(yáng)電池。碲鑰多層復(fù)合薄膜（B1)的厚度大于30nm，小于lOOOnrn，其中5(Γ300 nm最佳，大于300 nm也有較好效果，碲和鑰各亞層厚度之比為（1~5)。碲鑰多層復(fù)合薄膜 (B1)的后處理?xiàng)l件為惰性氣體保護(hù)，退火溫度150°C飛00°C，退火時(shí)間1(Γ60分鐘。由于本 發(fā)明是對(duì)CdTe電池基本結(jié)構(gòu)作改進(jìn)，因此，在下述實(shí)施例中，我們只對(duì)碲鑰多層復(fù)合薄膜 (B1)的制備、后處理過(guò)程作詳述，其它過(guò)程不再敘述。
[0014] 實(shí)施例一： (1) 制備碲鑰多層復(fù)合薄膜 把樣品放入真空室，真空度為l(T4pa，樣品溫度為室溫，采用電子束蒸發(fā)法，交替蒸鍍碲 和鑰，其中碲的純度為99. 99%及以上，鑰的純度為99. 99%及以上。沉積碲的厚度1?10 nm， 碲和鑰厚度比為3. 4,碲鑰多層復(fù)合薄膜總厚度為250 nm ; (2) 后處理碲鑰多層復(fù)合薄膜 把沉積了碲鑰多層復(fù)合薄膜的樣品取出，放入氮?dú)鈿怏w保護(hù)的真空退火爐，進(jìn)行后處 理，溫度為300°(T400°C，時(shí)間ΚΓ60分鐘，然后自然冷卻到室溫，即獲得具有碲化鑰和碲的 薄膜作為過(guò)渡層的樣品。
[0015] 實(shí)施例二： (1) 安裝靶材和樣品 將碲靶(純度99. 99%及以上）和鑰靶(純度99. 99%及以上）分別固定在濺射裝置對(duì)應(yīng) 的兩個(gè)靶位置上，將樣品固定在基片位置上，調(diào)整好靶與基片的距離6、cm ; (2) 制備碲鑰多層復(fù)合薄膜 在室溫下交替順序?yàn)R射碲和鑰，獲得碲鑰多層復(fù)合薄膜，其中，本底真空~1〇_4 Pa，工作 氣體為氬氣，工作氣壓〇. 1~3. 5 Pa，碲靶濺射功率3(Tl00 W，鑰靶濺射功率3(T300 W，碲的厚 度f(wàn) 10 nm，碲和鑰厚度比為3,濺射總厚度100 nm ; (3) 后處理碲鑰多層復(fù)合薄膜 濺射完畢后，在濺射的氣氛下，加熱樣品到350°C，在濺射室內(nèi)保氣壓ΚΓ60分鐘，然后 自然冷卻到室溫，即獲得具有碲鑰多層復(fù)合薄膜作為過(guò)渡層的樣品。
【權(quán)利要求】
1. 具有碲鑰多層復(fù)合薄膜的碲化鎘太陽(yáng)電池，其結(jié)構(gòu)為：玻璃/透明導(dǎo)電膜/硫化鎘 /碲化鎘/碲鑰多層復(fù)合薄膜/金屬電極，其特征是：碲鑰多層復(fù)合薄膜添加在碲化鎘與金 屬電極之間作為過(guò)渡層，實(shí)現(xiàn)碲化鎘與金屬電極之間的歐姆接觸，提高太陽(yáng)電池穩(wěn)定性。
2. 如權(quán)利要求1所述的具有碲鑰多層復(fù)合薄膜的碲化鎘太陽(yáng)電池，其特征是：碲鑰多 層復(fù)合薄膜由碲鑰交疊組合在一起，堆垛順序?yàn)轫?鑰/碲/鑰/…/碲/鑰，經(jīng)過(guò)后處理 后，由碲化鑰的主相和碲的析出相組成。
3. 如權(quán)利要求2所述的具有碲鑰多層復(fù)合薄膜的碲化鎘太陽(yáng)電池，其特征是：后處理 指的是惰性氣體氣氛，退火溫度150°C飛00°C，退火時(shí)間為1(Γ60分鐘。
【文檔編號(hào)】H01L31/073GK104064617SQ201410260474
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】李衛(wèi), 王洲玲, 張靜全, 馮良桓, 武莉莉, 黎兵, 曾廣根, 王文武, 胡玉, 唐容喆 申請(qǐng)人:四川大學(xué)