Te插入層的CdTe薄膜太陽(yáng)電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本項(xiàng)發(fā)明所屬領(lǐng)域?yàn)樾履茉床牧吓c器件領(lǐng)域，特別涉及一種能拓寬紅外光譜響應(yīng)和改進(jìn)結(jié)特性的、含有CdxTe薄膜的CdTe薄膜太陽(yáng)電池。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，太陽(yáng)光伏發(fā)電作為清潔高效的可再生能源利用形式，其核心任務(wù)依然是降低發(fā)電成本使之與傳統(tǒng)發(fā)電成本相當(dāng)，進(jìn)而逐步替代現(xiàn)有的常規(guī)發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電成本降低有賴于發(fā)展高效率低成本太陽(yáng)電池制造技術(shù)以及發(fā)展高效率太陽(yáng)能光伏電站相關(guān)的逆變、并網(wǎng)技術(shù)。雖然現(xiàn)階段晶體硅太陽(yáng)電池占據(jù)了 80%以上的市場(chǎng)份額，但是薄膜太陽(yáng)電池生產(chǎn)能耗低、能量回收周期短、弱光下發(fā)電力高、易實(shí)現(xiàn)與建筑物集成和可柔性化而應(yīng)用面廣的優(yōu)勢(shì)十分明顯。
[0003]在薄膜太陽(yáng)電池中，碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池的優(yōu)勢(shì)特別顯著。經(jīng)過(guò)二十余年的發(fā)展，小面積器件和大面積組件制造技術(shù)取得了很大進(jìn)展。美國(guó)First Solar公司創(chuàng)造了小面積器件轉(zhuǎn)換效率20.4%的記錄，但是距離它的理論轉(zhuǎn)換效率28%還相差較遠(yuǎn)。碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)是:n- CdS作為窗口層，ρ-CdTe作為吸收層，它們構(gòu)成一個(gè)n-p異質(zhì)結(jié)；在？^(11^層的背面是金屬電極，即背電極。目前，碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池效率較低有兩個(gè)重要原因:一是碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池的吸收層一一碲化鎘薄膜的禁帶寬度約1.44eV，這使得在太陽(yáng)光譜中光子能量低于1.44eV (即波長(zhǎng)長(zhǎng)于860nm)的那些紅外光不能被碲化鎘吸收，而不能激發(fā)光生載流子形成光生電流，結(jié)果是對(duì)近紅外光沒(méi)有響應(yīng)；為此需要引入較窄帶隙的半導(dǎo)體作為吸收層，以期擴(kuò)展它的長(zhǎng)波響應(yīng)。二是難于尋求一種功函數(shù)足夠高的金屬和高P-型摻雜的碲化鎘形成良好的歐姆接觸，為此需要在P-型碲化鎘和背電極之間制作一個(gè)高摻雜的或窄帶隙的背接觸層，以期獲得更好的結(jié)特性，即更好的整流特性。長(zhǎng)期以來(lái)，眾多的研宄人員努力在上述兩個(gè)方面取得突破。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出了擴(kuò)展長(zhǎng)波響應(yīng)和在背電極獲得良好歐姆接觸的方法。該方法的基本思想是在CdTe薄膜電池中制備帶隙可調(diào)的CdxTe 二元系薄膜插入層，它既可作為吸收層的一部分，吸收波長(zhǎng)大于860nm的紅外光，增加電池的光生載流子而提高光生電流，也可在其帶隙較窄的情況下作為良好的背接觸層，改善電池整體的結(jié)特性。
[0005]CdxTe薄膜是一種偏離化學(xué)配比的二元化合物，且與CdTe薄膜的元素種類相同。Te的禁帶寬度較窄，約為0.33eV，而CdTe的禁帶寬度較大約1.44eV。我們的研宄表明，調(diào)制CdxTe薄膜的化學(xué)配比，使X在O到I之間變化，可使CdxTe薄膜的能隙在0.33?1.44eV之間變化。我們的研宄還表明，在碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池中，在不同的位置引入不同化學(xué)配比的CdxTe薄膜，會(huì)起到不同的效果。
[0006]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明由以下措施構(gòu)成的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。(I)在TCO/CdS基底(其中，TCO為透明導(dǎo)電氧化物膜)上沉積一層CdxTe薄膜，選擇X在0.1?0.95之間，厚度范圍為50nm~1000nm，然后再沉積CdTe薄膜，最后沉積背接觸層和電極，形成完整的TCO/CdS/CdJe/CdTe/背接觸層/金屬結(jié)構(gòu)的碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池，如圖1。(2)或者，也可以把上述CdxTe薄膜沉積在CdTe薄膜和背接觸層之間，再沉積背電極以后最終形成TCO/CdS/CdTe/CdxTe/背接觸層/金屬結(jié)構(gòu)的碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池，如圖2。(3)或者，在TCO/CdS/CdTe基底上沉積一層CdxTe薄膜，選擇x在O?0.3之間，厚度為20nm~100nm，然后再沉積金屬背電極，而最后形成完整的TCO/CdS/CdTe/CdJe/金屬結(jié)構(gòu)的碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池，這里的CdxTe是背接觸層，如圖3。(4)或者，在TCO/CdS基底上先沉積一定厚度的CdTe薄膜，再沉積CdxTe薄膜，然后繼續(xù)沉積CdTe薄膜，最后沉積背接觸層和電極，形成完整的TCO/CdS/CdTe/CdxTe/CdTe/背接觸層/金屬結(jié)構(gòu)的碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池，如圖4。(5)或者，在TCO/CdS基底上沉積X逐漸變化的、能隙寬度也逐漸變化的CdxTe過(guò)渡層，過(guò)渡層的X在
0.1?0.95之間逐漸變化，其厚度范圍在100nm~2000nm之間，然后再沉積CdTe薄膜，最后沉積背接觸層和電極，形成完整的TCO/CdS/漸變帶隙CdJe/CdTe/背接觸層/金屬結(jié)構(gòu)的碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池，如圖5。當(dāng)然，還可以在(1)、(2)、(4)(5)等幾類應(yīng)用中，再使用X在O?0.3之間的CdxTe薄膜作背接觸層。
[0007]可以用真空蒸發(fā)、磁控濺射、近空間升華、電沉積等方法制備得到。CdxTe層制備之后，也可以在一定氣氛和溫度下進(jìn)行退火處理。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為T(mén)CO/CdS/CdJe/CdTe/背接觸層/金屬結(jié)構(gòu)的碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池。
[0009]圖2為T(mén)CO/CdS/CdTe/CdJe/背接觸層/金屬結(jié)構(gòu)的碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池。
[0010]圖3為T(mén)C0/CdS/CdTe/CdxTe/金屬結(jié)構(gòu)的碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池。
[0011]圖4為T(mén)CO/CdS/CdTe/CdJe/CdTe/背接觸層/金屬結(jié)構(gòu)的碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池。
[0012]圖5為T(mén)CO/CdS/漸變帶隙CdJe/CdTe/背接觸層/金屬結(jié)構(gòu)的碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池。
【具體實(shí)施方式】
[0013]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。
[0014]實(shí)施例一:
具有CdxTe吸收層的第一種CdTe薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)如圖1所示，CdxTe吸收層處于CdS薄膜和CdTe薄膜的中間。在Sn02/CdS室溫基底上，先將CdTe和Te —起共蒸發(fā)到形成CdxTe薄膜，X在O?I之間，厚度為50nm?200nm。將蒸發(fā)獲得的CdxTe薄膜取出，在干燥氮?dú)庵?50°C?250°C退火，保溫10分鐘，然后自然冷卻到室溫。用近空間升華法在CdxTe薄膜上制備CdTe薄膜，厚度3 μπι?5 μm，然后進(jìn)行退火和表面處理。將ZnTe和Cu共蒸發(fā)至襯底，形成ZnTe: Cu背接觸層，厚度為50nm?10nm ;然后在退火爐氮?dú)鈿夥者M(jìn)行150°C?200°C熱處理。最后用真空蒸發(fā)鍍金膜200nm作背電極。由此得到具有CdxTe吸收層的CdTe薄膜太陽(yáng)電池。
[0015]實(shí)施例二:
具有CdxTe薄膜的第二種CdTe薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)如圖2所示，CdxTe吸收層處于CdTe薄膜和背接觸層之間。在Sn02/CdS基底上先制備一層CdTe薄膜，厚度I μ m?3 μ m，然后進(jìn)行退火和表面處理；用共派射方法制備一層CdxTe薄膜，X在O?I之間，厚度為200nm?500nm。將CdxTe薄膜取出，在干燥氮?dú)庵?50°C?250°C退火，保溫10分鐘，然后自然冷卻到室溫。在CdxTe薄膜上繼續(xù)鍍一層Cu薄膜，厚度50nm，然后170°C退火，最后鍍金200nmo由此得到另一種結(jié)構(gòu)的具有CdxTe吸收層的CdTe薄膜太陽(yáng)電池。
[0016]實(shí)施例三:
具有CdxTe薄膜的第三種CdTe薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)如圖3所示，CdxTe吸收層處于CdTe薄膜和背電極之間。在Sn02/CdS基底上先制備一層CdTe薄膜，厚度I ym?3 μm，然后進(jìn)行退火和表面處理；用共派射方法制備一層CdxTe薄膜，X在O?0.3之間，厚度為50nm?200nm。將CdxTe薄膜取出，在干燥氮?dú)庵?50°C?250 °C退火，保溫10分鐘，然后自然冷卻到室溫。在CdxTe薄膜上繼續(xù)鍍200nm金薄膜做背電極。由此得到具有CdxTe吸收層的CdTe薄膜太陽(yáng)電池第三種結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，由于CdxTe的X值比較小，薄膜的電導(dǎo)率較高，所以它除了可以吸收紅外光還可以作CdTe電池的背接觸層。
[0017]實(shí)施例四:
具有CdxTe薄膜的第四種CdTe薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)如圖4所示，CdxTe吸收層處于兩層CdTe薄膜之間。在Sn02/CdS基底上先制備一層CdTe薄膜，厚度I μm?2 μm，然后用共蒸發(fā)方法制備一層CdxTe薄膜，X在O?I之間，厚度為10nm?300nm，最后再沉積一層CdTe薄膜，厚度I μ m?2 μ m，。在CdTe薄膜上繼續(xù)鍍一層Cu薄膜，厚度50nm，然后170°C退火，最后鍍金200nm。由此得到具有CdxTe吸收層的CdTe薄膜太陽(yáng)電池第四種結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有CdxTe插入層的CdTe薄膜太陽(yáng)電池，其特征是具有如下五種結(jié)構(gòu)之一:(1)TCO/CdS/CdxTe/CdTe/ 背接觸層 / 金屬；(2) TCO/CdS/CdTe/CdxTe/ 背接觸層 / 金屬；(3)TCO/CdS/CdTe/CdxTe/ 金屬；(4)TCO/CdS/CdTe/CdxTe/CdTe/ 背接觸層 / 金屬；(5)TC0/CdS/漸變帶隙CdJe/CdTe/背接觸層/金屬。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)為T(mén)CO/CdS/CdJe/CdTe/背接觸層/金屬的CdTe薄膜太陽(yáng)電池，其特征是在TCO/CdS襯底上先沉積一層CdxTe薄膜，然后順序沉積CdTe薄膜、背接觸層和金屬電極。
3.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)為T(mén)CO/CdS/CdTe/CdxTe/背接觸層/金屬的CdTe薄膜太陽(yáng)電池，其特征是在TCO/CdS/CdTe襯底上沉積CdxTe薄膜，然后順序沉積背接觸層和金屬電極。
4.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)為T(mén)CO/CdS/CdTe/CdxTe/金屬的CdTe薄膜太陽(yáng)電池，其特征是在TCO/CdS/CdTe襯底上沉積一層CdxTe薄膜(x在O?0.3之間)，然后沉積金屬電極。
5.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)為T(mén)CO/CdS/CdTe/CdJe/CdTe/背接觸層/金屬的CdTe薄膜太陽(yáng)電池，其特征是在TCO/CdS襯底上先沉積一層CdTe薄膜，再沉積一層CdxTe薄膜，然后順序沉積CdTe薄膜、背接觸層和金屬電極。
6.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)為T(mén)CO/CdS/漸變CdJe/CdTe/背接觸層/金屬的CdTe薄膜太陽(yáng)電池，其特征是在TCO/CdS襯底上先沉積一層X(jué)值漸變的CdxTe薄膜，然后順序沉積CdTe薄膜、背接觸層和金屬電極。
7.如權(quán)利要求1所述的CdTe薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，其特征是CdJe薄膜的x在O?0.95之間變化，相應(yīng)薄膜的帶隙在0.33eV?1.44eV之間變化。
8.如權(quán)利要求1所述的CMTe薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，其特征是CMxTe薄膜的厚度在50nm?2000nm。
9.如權(quán)利要求1所述的CdTe薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，其特征是CdxTe薄膜的熱處理?xiàng)l件是干燥氮?dú)猓?50°C?250°C退火，保溫10?30分鐘。
【專利摘要】本發(fā)明屬于新能源材料與器件領(lǐng)域，特別涉及一種以CdxTe薄膜做輔助吸收層以拓寬紅外光譜響應(yīng)的CdTe太陽(yáng)電池。本發(fā)明在CdTe薄膜電池結(jié)構(gòu)中插入一層帶隙可調(diào)的CdxTe二元系薄膜材料，由于其帶隙可在0.33eV～1.44eV之間變化，所以能夠吸收那些不能被CdTe薄膜吸收的波長(zhǎng)大于860nm的紅外光，從而增加電池的光生載流子進(jìn)而提高光生電流。CdxTe薄膜可以在CdS薄膜和CdTe薄膜之間引入，也可在CdTe薄膜和背接觸層之間引入，還可以在CdTe薄膜內(nèi)部引入。具有CdxTe吸收層的碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池的紅光光譜響應(yīng)可從860nm拓寬到3000nm以外。
【IPC分類】H01L31-0296, H01L31-073
【公開(kāi)號(hào)】CN104810424
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510183116
【發(fā)明人】武莉莉, 馮良桓, 李衛(wèi), 王文武, 曾廣根, 張靜全, 黎兵, 徐航, 束青
【申請(qǐng)人】四川大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年4月17日