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一种柔性碲化镉薄膜太阳电池结构 Download PDF

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Abstract

一种柔性碲化镉薄膜太阳电池结构，本项发明所属领域为新型能源。为了降低碲化镉太阳电池的成本，扩大电池的应用范围，柔性碲化镉太阳电池将是未来发展方向之一。柔性碲化镉电池面临的难题之一是如何解决金属背电极与碲化镉薄膜欧姆接触，即寻找一种材料，加入到金属电极与碲化镉薄膜之间，有利于p载流子传输。本发明是采用石墨烯作为碲化镉层与金属电极层的过渡层，充分利用石墨烯载流子传输速度高、力学性能好的特点。将结晶石墨进行化学清洗，用带胶的聚酰亚胺薄膜剥离石墨，使得一层石墨烯粘附于聚酰亚胺表面。在此基础上再溅射沉积碲化镉，惰性气体保护下CdCl2退火，溅射沉积硫化镉和ITO薄膜。制作出的柔性碲化镉薄膜电池具有重量轻、成本低的优点。

Description

一种柔性碲化镉薄膜太阳电池结构
一、所属技术领域
本发明所属领域为新能源。
二、背景技术
能源是人类社会存在的基础。社会的发展又会消耗大量的化石能源，其消耗速度成几何级数增加。人类社会的可持续发展，要求有可持续的能源供给。目前生产出的清洁能源，远不能满足工业生产和人们日常生活的需要。一方面现代社会耐以生存、大量使用的化石能源是不可再生的资源，在不远的将来耗尽；另一方面，传统化石能源开采、给环境带来难以恢复的破坏，排放出大量温室效应气体和二氧化硫等污染环境的气体。大力发展环境友好的可再生能源，成为保障人类社会持续发展的必然选择。
在各种可再生能源中，太阳能不受地域和时间限制，是最有前景的一种可再生能源。大力发展太阳电池，直接将光能转化为电能是规模使用太阳能的有效途径。目前销售的太阳电池片及组件价格非常高，由这些组件形成的太阳电池发电装置，其发电成本是常规水电、火电的十倍以上。如何提高太阳电池转换效率，降低太阳电池生产成本，从而增加光伏发电的竞争力，是各国政府面临的巨大挑战和机会。
在全球销售太阳电池组件中，70％以上是晶硅电池。晶硅太阳电池存在如下缺点：(1)硅材料的熔炼、提纯均采用高耗能工艺，因此硅太阳电池组件的成本降低空间有限；(2)晶硅太阳电池只能做成刚性衬底组件，质量比功率小于100瓦/公斤，不能充分满足建筑物集成和便携式电源的需求。薄膜太阳电池具有生产规模大，原材料需求少，生产成本低等优点，是未来太阳电池的发展方向。
在目前已经商业化或正在商业化的薄膜太阳电池中，碲化镉薄膜太阳电池的成本是最低的，为1.12美元/瓦。专家预计在5年内，还可以进一步降低到0.5美元/瓦。此时，碲化镉太阳电池的发电成本可以与常规的水电、火电相竞争。
碲化镉的电子亲和势为4.6eV，其功函数高于5.36eV。常规廉价金属如银、镍的功函数都较低，直接用于碲化镉薄膜将会形成肖特基结，该结的自建电场与碲化镉/硫化镉主结内建电场方向相反，将阻碍空穴从主结向背电极的运动，从而大幅度降低了器件的转换效率。
为了使得金属电极层与碲化镉有良好欧姆接触，通常是在金属背电极层与碲化镉层之间增加一层过渡层，修饰金属背电极层与碲化镉之间的功函数差。常用的过渡层有掺铜碲化锌、CuXTe、Sb2Te3、掺铜石墨层等。不同的研究小组往往采用不同的背接触材料。这些背接触材料均能够制备出了转换效率高于14％的器件。为了降低碲化镉太阳电池的成本，扩大电池的应用范围，碲化镉太阳电池柔性化将是未来发展方向之一。柔性碲化镉电池面临的难题之一是如何解决柔性金属背电极与碲化镉薄膜欧姆接触，即寻找一种柔性材料，要求具有良好的柔性和导电性，有利于p载流子传输。
石墨烯是指在一定工艺条件制备得到的单层石墨。石墨烯的电子迁移率高达15000cm2/V.S(美国马里兰大学实验结果，50K～500K)，而且，其电子迁移率随温度变化小。石墨烯具有优异的力学性能，能够进行大角度弯曲。石墨烯用作碲化镉薄膜太阳电池的背电极过渡层，可有效提高载流子收集效率，提高电池的短路电流。
三、发明内容
本发明的目的是改进柔性碲化镉电池结构，获得转换效率更高、成本更低的柔性碲化镉薄膜太阳电池。
发明的内容为：使用由石墨烯构成的超薄层，作为碲化镉薄膜太阳电池背电极过渡层，电池结构为“透明导电薄膜(ITO)/n-CdS/p-CdTe/石墨烯/高分子薄膜”。
四、具体实施方式
实施例：选一块结晶石墨，对表面进行研磨使其平整性，用丙酮去除表面的有机污染物，用去离子水反复冲洗去除颗粒污染物。将处理后的结晶石墨放入一个容器中，加入乙酸乙烯脂，超声震荡30分钟。用表面涂胶水的聚酰亚胺薄膜，轻轻贴在结晶石墨表面，沿平行于石墨表面方向撕下聚酰亚胺薄膜，该工艺使得聚酰亚胺薄膜表面附着一层石墨烯。采用涂覆方法在石墨烯表面涂掺杂石墨膏，厚度3～4微米。采用溅射方法在掺杂石墨膏表面沉积碲化镉薄膜，厚度3～5微米。将完成该过程的薄膜放入CdCl2溶液中，其中溶剂为乙醇，CdCl2浓度0.1mol/l，时间1～2分钟。把薄膜放入退火炉中进行惰性气体保护退火(380℃，30分钟)。在退火后的碲化镉薄膜表面溅射沉积CdS，厚度0.1微米。在CdS薄膜表面溅射沉积ITO，厚度0.3微米。完成以上所述过程后，将薄膜表面一小部分沉积物去掉，露出石墨烯，焊上铟电极。在ITO表面焊上铟电极。从两个铟电极引出电极线，构成柔性碲化镉太阳电池。

Claims (3)

1.一种柔性碲化镉薄膜太阳电池结构，其特征是在带胶聚酰亚胺上粘附一层石墨烯，用溅射方法在石墨烯上沉积碲化镉，然后进行CdCl2退火，用溅射方法沉积硫化镉和ITO，在ITO层和石墨烯上焊铟并引出连接导线。
2.如权利要求1所述的柔性碲化镉薄膜电池结构，其石墨烯层的获得是将化学清洗过的结晶石墨，放入乙酸乙烯脂中超声震荡30分钟，带胶聚酰亚胺轻轻贴在结晶石墨表面，沿平行于石墨表面方向，撕下聚酰亚胺薄膜。
3.如权利要求1所述的柔性碲化镉薄膜电池结构，其碲化镉退火过程是，将薄膜放入CdCl2溶液中，其中溶剂为乙醇，CdCl2浓度0.1mol/l，时间1～2分钟。薄膜放入退火炉中进行惰性气体保护退火(380℃，30分钟)。
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