CdTe薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)分析

摘 要：CdTe薄膜太陽能電池是一種高效、穩(wěn)定且相對低成本的薄膜太陽能電池。電池的p-n結(jié)由p-CdTe與n-CdS形成，電池結(jié)構(gòu)有substrate及superstrate兩種，文章分析結(jié)構(gòu)中透明導(dǎo)電層、窗口層、吸收層、背電極的材料和特性。

關(guān)鍵詞：CdTe；薄膜太陽能電池；電池結(jié)構(gòu)

CdTe是Ⅱ-Ⅵ族的化合物半導(dǎo)體材料，具有直接帶隙結(jié)構(gòu)，其禁帶寬度為1.45eV，正好位于理想太陽能電池的禁帶寬度范圍之間。此外，CdTe也具有很高的光吸收系數(shù)（>5×105/cm），因此僅僅2μm厚的CdTe薄膜，就足夠吸收AM1.5條件下99%的太陽光。CdTe薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)可分為substrate及superstrate兩種。superstrate結(jié)構(gòu)是在玻璃襯底上依次長上透明氧化層（TCO）、CdS、CdTe薄膜，而太陽光是由玻璃襯底上方照射進(jìn)入，先透過TCO層，再進(jìn)入CdS /CdTe結(jié)。而在substrate結(jié)構(gòu)，是先在適當(dāng)?shù)囊r底上長上CdTe薄膜，再接著長CdS及TCO薄膜。但是由于substrate結(jié)構(gòu)的太陽能電池的品質(zhì)較差（例如：CdS/CdTe的界面品質(zhì)不佳、歐姆接觸性差等），所以效率遠(yuǎn)比不上superstrate結(jié)構(gòu)的太陽能電池，因此幾乎所有的高效率CdTe薄膜太陽能電池都是采用superstrate結(jié)構(gòu)[1]。

1 透明導(dǎo)電層

在CdTe太陽能電池中所使用的透明導(dǎo)電層，既要滿足為形成低串聯(lián)電阻而需的高電導(dǎo)率，又要為獲得高入射以保證高光生電流而具有高透射率。目前，已在使用并作產(chǎn)業(yè)化努力的透明導(dǎo)電層有：SnO2、ITO、CdSnO4和AZO。AZO通常用作CIGS薄膜太陽能電池的透明導(dǎo)電層。它可以用不同種類的含有ZnO和Al靶濺射而成， Al在ZnO中作為施主。不過，這種薄膜在CdTe沉積過程中（大于550℃）會由于熱應(yīng)力而喪失摻雜性。但是由于這種材料成本比較低，人們還是希望最終能在CdTe薄膜太陽能電池得到更穩(wěn)定的AZO薄膜。

2 n-CdS窗口層

CdS的禁帶寬度在室溫下約為2.4eV，它不會吸收波長大于515nm的太陽光，所以在整個結(jié)構(gòu)上它被視為窗口層。為了讓整個太陽能電池獲得最高的電流密度，CdS必須相當(dāng)?shù)乇。s0.5μm）。然而因?yàn)镃dS是多晶結(jié)構(gòu)，容易造成局部分流或過量的正向電流。有人發(fā)現(xiàn)在TCO與CdS之間插入一層高電阻的透明氧化層（HRT層），可以有效改善這個問題，并且還能改善結(jié)的品質(zhì)。可以作為高電阻氧化層的材料有SnO2、In2O3、Ga2O3、CdSnO4等。

3 CdTe吸收層和CdCl2處理

關(guān)于CdTe太陽能電池的薄膜制造，目前已有多種可行的技術(shù)可被采用[2]。

物理氣相沉積法（Physical Vapor Deposition，PVD），是以物理機(jī)制來進(jìn)行薄膜沉積的制造技術(shù)，所謂物理機(jī)制是指物質(zhì)的相變化現(xiàn)象，例如進(jìn)行沉積時，源材料由固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)再進(jìn)行沉積。利用PVD法制備CdTe或CdS薄膜時，沉積反應(yīng)是發(fā)生在一真空爐內(nèi)，所使用的源材料可直接為CdTe或CdS化合物，或各自的元素物質(zhì)。將源材料加熱到800℃，使之揮發(fā)為氣相分子，而以約1μm/min的速率沉積在距離約20cm遠(yuǎn)的襯底上。通常襯底的溫度要保持在相對比較低的溫度（～100℃），這樣Cd及Te的黏附系數(shù)才會接近于1。襯底溫度越高，黏附系數(shù)越低，因此沉積速率也變慢。但是，溫度越低得到的多晶薄膜晶粒越小。所以一般應(yīng)用上，襯底的溫度都不會超過400℃。沉積出來的薄膜的化學(xué)計(jì)量比控制起來比較難，這與每個元素的平衡蒸汽壓及源材料的化學(xué)計(jì)量有相當(dāng)大的關(guān)系。

近空間升華法是目前被用來生產(chǎn)高效率CdTe薄膜電池最主要的方法。在這種方法中，蒸發(fā)源是被置于一容器內(nèi)，襯底與源材料要盡量靠近放置，使得兩者之間的溫度差盡量小，從而使薄膜的生長接近理想平衡狀態(tài)。使用化學(xué)計(jì)量準(zhǔn)確的源材料，也可以得到化學(xué)計(jì)量準(zhǔn)確的CdTe薄膜。因此，一般襯底的溫度可以控制在450～600℃之間，而高品質(zhì)的薄膜可以在大約1μm/min的速率沉積下得到。

氣相傳輸沉積法制造CdTe薄膜時，固態(tài)的CdTe原料放在容器內(nèi)，因受熱而揮發(fā)出CdTe蒸汽，然后這些Cd/Te蒸汽會隨著傳輸氣體（N2、Ar、He、O2等）而傳送到襯底表面，過飽和的Cd與Te會凝固而沉積在襯底表面形成CdTe薄膜。利用氣相傳輸沉積法可以得到約與薄膜厚度相當(dāng)?shù)木Я４笮?，而且沉積速率相當(dāng)快。

所謂的濺射法，是指利用等離子體中的高能離子（通常是由電場加速的正離子，例如Ar+），在磁鐵產(chǎn)生的磁力線作用下，加速撞擊CdTe靶材表面，將CdTe表面物質(zhì)濺出，而后在襯底上沉積而形成薄膜。而等離子體的產(chǎn)生方法有多種，包括直流、射頻、微波等。通常沉積反應(yīng)是發(fā)生在低于300℃的襯底上，而爐內(nèi)壓力約為10mtorr左右。如果在200℃沉積2μm的CdTe薄膜，所得到的晶粒大小約在300nm左右。

電解沉積法是將含有Cd2+及HTeO2+的電解液進(jìn)行電化學(xué)還原反應(yīng)，而得到Cd及Te并沉積而成CdTe薄膜。通過控制電解液內(nèi)部的Cd與Te含量，可以控制所生長出來的薄膜的化學(xué)計(jì)量組成。

噴涂沉積法，是先在室溫下將含有CdTe、CdCl2及丙二醇的化學(xué)漿料噴涂在襯底上，然后再經(jīng)過幾道高溫?zé)崽幚砑爸旅芑瘷C(jī)械過程，而得到具有多孔性結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜。

金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法，是在低壓下使含有Cd及Te的有機(jī)金屬，例如二甲基鎘及二異丙碲，在反應(yīng)爐中進(jìn)行分解，并沉積在襯底上得到CdTe薄膜。沉積速率與襯底的溫度有關(guān)。

絲網(wǎng)印刷法算是生產(chǎn)CdTe及CdS薄膜最簡單的方法，它是將含有Cd、Te、CdCl2及含有有機(jī)結(jié)合劑的金屬膠，通過一印刷板而印制到襯底上，再經(jīng)過干燥過程去除有機(jī)溶劑后，接著加溫到700℃左右做燒結(jié)反應(yīng)，最后得到約10～20μm的再結(jié)晶化的CdTe薄膜。

幾乎所有沉積技術(shù)所得到的CdTe薄膜，都必須再經(jīng)過CdCl2處理[3]。CdCl2處理能夠進(jìn)一步提高CdTe/CdS異質(zhì)結(jié)太陽能電池的短路電流，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)換效率，原因是：（1）能夠在CdTe和CdS之間形成CdS1-xTex界面層，降低界面缺陷態(tài)濃度；（2）導(dǎo)致CdTe膜的再次結(jié)晶化和晶粒的長大，減少晶界缺陷；（3）熱處理能夠鈍化缺陷、提高吸收層的載流子壽命。將CdTe薄膜置于約400℃的CdCl2環(huán)境之下，CdCl2的存在促進(jìn)了CdTe的再結(jié)晶過程。不僅比較小的晶粒消失了，連帶著CdTe與CdS的界面結(jié)構(gòu)也變得比較有序。

4 背電極

背電極通常是使用Ag或Al，它提供CdTe太陽能電池的一個低阻接觸。但由于在p-CdTe上要形成良好的歐姆接觸比較困難，所以在界面處不可避免地會出現(xiàn)肖特基接觸的整流效應(yīng)。而背電極又要求高導(dǎo)電性，所以它的厚度要做得很薄。

形成背電極的大部分技術(shù)，都包括以下幾個步驟：（1）刻蝕CdTe表面，以產(chǎn)生富Te的表面狀態(tài)，因此在CdTe與金屬層之間產(chǎn)生p型重?fù)诫s區(qū)域，這層p型重?fù)诫s區(qū)域可降低金屬與CdTe之間的勢壘；（2）鍍上Ag或Al等金屬層；（3）在150℃以上熱處理。

CdTe薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率并不會受溫度太大的影響，輸出功率相對穩(wěn)定。在陰雨天或清晨黃昏，入射太陽光以散射光為主，在這樣的弱光條件下，相同額定功率的CdTe薄膜太陽能電池的輸出功率高于晶體硅太陽能電池。除此之外，CdTe可利用多種快速成膜技術(shù)制作，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生長，因此近年來對CdTe薄膜太陽能電池商業(yè)化的努力有增無減。

參考文獻(xiàn)

[1]K Omura et al，Recent technical advances in thin-film CdS/CdTe solar cells[J].Renewable Energy ，1996，8（1）：405-409.

[2]N Romeo et al，Recent progress on CdTe/CdS thin film solar cells[J].Solar Energy，2004，77（6）：795-801.

[3]Lukas Kran zet al，Technological status of CdTe photovoltaics[J].Solar Energy Materials and Solar Cells， 2013（119）：278-280.

作者簡介：肖友鵬，工作單位：江西科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，研究方向：新能源材料與新能源發(fā)電。