CN101615638B - 具有Te缓冲层的CdTe薄膜太阳电池 - Google Patents

具有Te缓冲层的CdTe薄膜太阳电池 Download PDF

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Abstract

具有Te缓冲层的CdTe薄膜太阳电池，属于新能源材料与器件领域。采用Te作为缓冲层沉积在HNO3-H3PO4-H2O(NP)腐蚀后的碲化镉薄膜表面和背接触层之间的一种碲化镉太阳电池。添加的缓冲层Te，一方面，可以与腐蚀出来的富Te层形成良好的晶格匹配，同时降低了与CdTe之间的势垒高度。另一方面，可形成组分和结构单一且性质稳定的CuxTe，或者阻挡杂质离子的扩散，尤其避免了其在腐蚀后的晶界上迅速扩散。因此，可增加转换效率和旁路电阻，提高器件的性能，有利于CdTe薄膜太阳电池的规模化生产。

Description

具有Te缓冲层的CdTe薄膜太阳电池
技术领域
本发明属于新能源材料与器件领域。
背景技术
CdTe是一种重要的光伏材料，其能隙～1.44eV接近太阳能转换的最佳能隙，它与宽能隙的CdS(～2.42eV)形成CdS/CdTe异质结太阳电池，有很高的理论转换效率。目前，商业化组件的效率已达10％。
在CdTe太阳电池的制备过程中，实现CdTe与金属电极之间的欧姆接触是获得稳定、高效电池的关键技术之一。由于CdTe的电子亲和势为4.3eV，与大多数的金属都难以形成低电阻接触。因此，在工业化生产中，常采用HNO3-H3PO4-H2O(NP)腐蚀以去除CdTe表面杂质，获得富Te层(图1)，随后，沉积背接触层，以减少背接触势垒的影响，从而实现CdTe与金属背电极间的欧姆接触。
但不足之处是NP腐蚀的富Te层厚薄不均，为孔状结构，而且这种腐蚀为择优腐蚀，特别是沿晶粒间界腐蚀。常规的CdTe太阳电池，背接触层常采用铜或含铜材料，会出现如下问题：对于含铜材料，因择优腐蚀导致金属离子或杂质沿晶粒间界扩散，可能形成导电旁路；对于铜，因孔状富Te层不均匀可能产生成分和结构复杂的CuxTe(1≤x≤2)。
发明内容
本发明的目的是为了解决NP腐蚀后CdTe表面形成的孔状富Te层以及择优腐蚀与铜或含铜背接触材料相互作用带来的问题。
为实现本发明，本发明的技术方案是在结构为玻璃/透明导电膜(TCO)/CdS/CdTe的薄膜表面，采用NP腐蚀后，沉积一层Te作为缓冲层，然后按照正常的顺序沉积背接触层以及金属电极以完成CdTe薄膜太阳电池的制备。
添加的缓冲层Te，可以与腐蚀出来的富Te层形成良好的晶格匹配，同时降低了与CdTe之间的势垒高度，减小了接触电阻，进而减少了在晶界的复合电流，同时作为P+层，其能隙约0.33eV，与CdTe界面的价带偏移约0.26eV，有利于空穴由CdTe进入Te层。
为了减小肖特基势垒，还需沉积Cu或含Cu背接触层，如ZnTe:Cu、HgTe:Cu、CuxTe，以减小界面态密度，增加pn结附近的载流子浓度，降低肖特基势垒高度。由于插入厚度均匀的缓冲层Te，因此，在沉积铜以及后处理后，将形成组分和结构单一且性质稳定的CuxTe；在沉积含铜背接触层后，缓冲层Te将阻挡杂质离子的扩散，尤其避免了其在腐蚀后的晶界上迅速扩散。
通过比较有无缓冲层Te的CdTe太阳电池，可以发现，添加缓冲层后，器件的旁路电阻可从200Ωcm2提高到500Ωcm2左右，转换效率普遍可提高5％～10％。因此，本发明的有益效果是：对于NP腐蚀后CdTe薄膜太阳电池，添加缓冲层Te后，增加了转换效率和旁路电阻，提高了器件性能的稳定性和重复性，有利于CdTe薄膜太阳电池的规模化生产。
附图说明
图1为NP腐蚀后CdTe薄膜的XRD示意图。
图2为NP腐蚀CdTe薄膜后的示意图。
图3为具有Te缓冲层的CdTe薄膜太阳电池结构示意图。
图2和图3中的符号表示：G为玻璃衬底，T为TCO，W为CdS，A为CdTe，B为缓冲层Te，B1为背接触层，M为金属电极。
具体实施方式
以下结合图1-3和实施例详述本发明。
本发明实施例中采用的CdTe薄膜样品经过常规的CdCl2退火处理，其结构为玻璃衬底(G)/TCO(T)/CdS(W)/CdTe(A)，把上述CdTe薄膜样品置入NP腐蚀液中，腐蚀液是质量百分比分别为65％～68％的硝酸、85％的磷酸和去离子水以(1～5)∶(60～100)∶(10～100)体积比混合，腐蚀时间30～200秒，腐蚀温度为常温，约27℃。在腐蚀液中氧化剂HNO3作用下，在CdTe(A)表面生成富Te层。图1给出了CdTe薄膜经NP腐蚀后，在衍射角27.7°附近出现了六方相Te的(101)的衍射峰。NP腐蚀为择优腐蚀，如图2所示。随后，用去离子水冲洗，并用氮气吹干，再溅射或真空蒸发沉积缓冲层Te(B)，厚度5nm～150nm。最后，制作Cu或含Cu背接触层(B1)，其中含Cu背接触层为ZnTe:Cu、HgTe:Cu、CuxTe中任一种，厚度30nm～150μm，并沉积金属电极(M)，如Ni、Ni/Al合金或Au中的一种，厚度100nm～3μm，这样完成了CdTe太阳电池的制备，其结构为玻璃衬底(G)/TCO(T)/CdS(W)/CdTe(A)/Te/背接触层(B1)/金属电极(M)，如图3所示。
实施例一：
(1)腐蚀液的温度控制在27℃的情况下，将样品放入腐蚀液中，腐蚀液是质量百分比分别为65％～68％的硝酸、85％的磷酸和去离子水以1∶70∶29体积比混合，腐蚀时间为30秒。
(2)取出样品，去离子水冲洗数次，用氮气吹干。
(3)用溅射法或真空热蒸发法，沉积缓冲层Te(B)，厚度5nm～150nm。
(4)真空热蒸发或溅射Cu(B1)，厚度20～200nm，氮气保护退火～20分钟，温度250℃～300℃。
(5)最后沉积100nm～3μm金属电极(M)，是Ni、Ni/Al合金或Au中的一种，制备方法为电子束蒸发、溅射或真空热蒸发。
实施例二：
(1)腐蚀液的温度控制在27℃的情况下，将样品放入腐蚀液中，腐蚀液是质量百分比分别为65％～68％的硝酸、85％的磷酸和去离子水以1∶70∶29体积比混合，腐蚀时间为30秒。
(2)取出样品，用去离子水冲洗数次，氮气吹干。
(3)用溅射法或真空热蒸发法，沉积缓冲层Te(B)，厚度5nm～150nm。
(4)用10％HgTe∶Cu/90％石墨浆(B1)涂覆其上，厚度100μm，氦气保护退火～20分钟，温度250℃～300℃。
(5)最后沉积100nm～3μm金属电极(C)，是Ni、Ni/Al合金或Au中的一种，制备方法为电子束蒸发、溅射或真空热蒸发。
实施例三：
(1)腐蚀液的温度控制在27℃的情况下，将样品放入腐蚀液中，腐蚀液是质量百分比分别为65％～68％的硝酸、85％的磷酸和去离子水以1∶70∶29体积比混合，腐蚀时间为30秒。
(2)取出样品，去离子水冲洗数次，用氮气吹干。
(3)用溅射法或真空热蒸发法，沉积缓冲层Te(B)，厚度5nm～150nm。
(4)沉积ZnTe:Cu(B1)，厚度30nm～200nm，制备技术为真空热蒸发或溅射。随后，氮气保护退火～20分钟，温度100℃～250℃。
(5)最后沉积100nm～3μm金属电极(C)，是Ni、Ni/Al合金或Au中的一种，制备方法为电子束蒸发、溅射或真空热蒸发。
实施例四：
(1)腐蚀液的温度控制在27℃的情况下，将样品放入腐蚀液中，腐蚀液是质量百分比分别为65％～68％的硝酸、85％的磷酸和去离子水以1∶70∶29体积比混合，腐蚀时间为30秒。
(2)取出样品，用去离子水冲洗数次，氮气吹干。
(3)用溅射法或真空热蒸发法，沉积缓冲层Te(B)，厚度5nm～150nm。
(4)沉积CuxTe(B1)薄膜，采用的技术为真空热蒸发法或溅射法，厚度30nm～200nm。随后，氮气保护退火～20分钟，温度150℃～250℃。
(5)最后沉积100nm～3μm金属电极(C)，是Ni、Ni/Al合金或Au中的一种，制备方法为电子束蒸发、溅射或真空热蒸发。

Claims (4)

1.具有Te缓冲层的CdTe薄膜太阳电池，结构为：玻璃/TCO/CdS/CdTe/Te/背接触层/金属电极，其特征是：常温下利用腐蚀液HNO3-H3PO4-H2O对玻璃/TCO/CdS/CdTe腐蚀30～200秒后，在CdTe表面生成富Te层，随后沉积缓冲层碲，接着顺序沉积背接触层和金属电极，其中腐蚀液为质量百分比浓度65％～68％的硝酸、85％的磷酸和去离子水以(1～5)∶(60～100)∶(10～100)的体积比混合。
2.如权利要求1所述的具有Te缓冲层的CdTe薄膜太阳电池，其特征是：碲的厚度5nm～150nm。
3.如权利要求1所述的具有Te缓冲层的CdTe薄膜太阳电池，其特征是：背接触层为Cu或含Cu材料，是Cu、CuxTe、ZnTe:Cu、HgTe:Cu中的任一种，厚度为30nm～150μm，其中，CuxTe中x的取值为1≤x≤2。
4.如权利要求1所述的具有Te缓冲层的CdTe薄膜太阳电池，其特征是：金属电极为Ni、Ni/Al合金、Au中的一种，厚度100nm～3μm。
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