CN102244110B - 硒化钒薄膜作背接触层的CdTe太阳电池 - Google Patents

硒化钒薄膜作背接触层的CdTe太阳电池 Download PDF

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Abstract

本发明是为了消除CdTe电池中铜或含铜背接触层材料的缺陷，避免铜的扩散对CdTe太阳电池性能产生不良影响。采用一种不含铜的硒化钒材料，添加在CdTe太阳电池基本结构的吸收层与金属背电极之间，作为CdTe太阳电池的背接触层。可实现CdTe太阳电池的欧姆接触，并使太阳电池的耗尽区变宽，界面复合降低，旁路电阻增大，填充因子提高，转换效率提高。由于本发明中未使用铜这样的受主掺杂剂，因此，电池在长期使用或存放后未见衰降，器件稳定性良好。

Description

硒化钒薄膜作背接触层的CdTe太阳电池
技术领域
本发明属于新能源材料与器件领域，特别涉及一种碲化镉薄膜太阳电池的制备方法。
背景技术
由于CdTe具有较高的吸收系数和适合太阳能转换的最佳能隙，因此，在光伏领域，CdTe作为一种重要的光电转换材料受到人们广泛关注和重视。它与宽能隙的CdS（~2.42 eV）形成CdS/CdTe异质结太阳电池，有接近30%的理论转换效率。目前，实验室小面积电池的效率已经突破16%，商业化组件的效率已达11%。
CdTe太阳电池的基本结构为：玻璃（G）/透明导电膜(T)/n-CdS(W)/p-CdTe (A)/金属背电极 (M)，其中透明导电膜（TCO）为前电极，CdS为窗口层，CdTe为吸收层，如图1所示。在CdTe太阳电池的制备过程中，实现CdTe与金属背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的功函数很高，与大多数的金属都难以形成低电阻接触。因此，解决背接触问题的有效办法是将一种p型重掺杂的过渡层材料沉积在CdTe薄膜表面，通过沟道输运机制实现欧姆接触。
常规的CdTe太阳电池，背接触层采用铜或含铜材料，但会出现如下问题：对于Cu，常与腐蚀后不均匀的富Te层反应产生成分和结构复杂的碲铜相；对于含铜材料：如ZnTe:Cu、HgTe:Cu、CuxTe（1≤x≤2），因金属离子或杂质沿晶粒间界扩散使电池性能衰降。
发明内容
本发明的目的是为了消除上述电池中铜或含铜背接触层的缺陷，避免铜的扩散对CdTe太阳电池性能产生不良影响，进一步改进CdTe太阳电池的结构，提高填充因子和开路电压，从而获得较高的光电转化效率和稳定性。
为了实现本发明的目的，本发明的技术方案是采用一种不含铜的硒化钒材料（VSe2-x，其中0≤x≤1，且其空间群为P-3m1，序号为164），添加在CdTe太阳电池的吸收层（CdTe）与金属背电极之间，作为CdTe太阳电池的背接触层，其厚度大于30 nm，小于500 nm。因此，太阳电池的结构变为：玻璃（G）/TCO(T)/n-CdS(W)/p-CdTe (A)/ VSe2-x（B）/金属背电极 (M)。在改进的结构中，VSe2-x为六方层状结构，p型半导体，其功函数与CdTe相当，载流子浓度很高，可作为过渡层沉积在CdTe薄膜表面，通过沟道输运机制获得低电阻接触。
最终，在CdTe太阳电池中，可实现欧姆接触，并使太阳电池的耗尽区变宽，界面复合降低，旁路电阻增大。具有硒化钒的CdTe太阳电池的电学性能测试结果为：旁路电阻有显著增加，填充因子提高10%~20%，开路电压也有所增加。由于本发明中未使用铜这样的受主掺杂剂，因此，电池在长期使用或存放后未见衰降，即器件稳定性良好。表1为CdTe太阳电池有无VSe2-x（x=0）的开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)、填充因子(FF)、转换效率(η)、串联电阻(Rsh)、旁路电阻(Rsh)等器件参数。
表1 CdS/CdTe薄膜太阳电池有无硒化钒背接触层的比较
  Voc (mV) Jsc(mA/cm2) FF (%) η (%) Rs (Ω) Rsh (Ω)
无背接触层 718 22.3 53.68 8.594 151.859 3522.88
有背接触层 764 20.6 64.98 10.226 120.856 6889.07
附图说明
图1为碲化镉太阳电池的基本结构图；
图2为具有硒化钒背接触层的碲化镉太阳电池结构图；
图3为VSe2-x与Au电极之间的暗电压-电流曲线。
图1、图2中的符号： G为玻璃，T为透明导电膜，W为CdS，A为CdTe，B为硒化钒，M为金属背电极。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的内容不仅限于实施例中涉及的内容。
本发明的结构（如图2所示）为：玻璃（G）/透明导电膜(T)/n-硫化镉(W)/p-碲化镉 (A)/硒化矾（B）/金属背电极 (M)，它以碲化镉太阳电池的基本结构为基础，在p型CdTe（A）与金属背电极(M)之间加入硒化钒薄膜材料(B)。作为背接触层材料，空间群序号为164号的硒化钒薄膜为六方层状结构，p型半导体，其能隙约较宽，功函数＞5.0 eV，因此，与CdTe接触时不会阻挡空穴的输运。另外，在能带结构的导带底与CdTe相应位置会形成小的势垒，这有利于反射从前电极回来的电子。霍耳效应测试表明，VSe2-x（x=0）载流子浓度为1011~1012cm-3，与金属背电极(M)之间也能形成低电阻接触。因而，背电极金属（M）与吸收层CdTe (A)能形成良好的欧姆接触。图3为VSe2-x与Au电极之间的暗电压-电流曲线，VSe2-x背接触层与Au电极的暗态电流与电压呈线性关系，这表明 VSe2-x背接触层与Au背电极形成了欧姆接触，有利于p型层的空穴向背电极输运。因此，本发明中，VSe2-x薄膜材料的作用有两个，一是与吸收层CdTe形成欧姆接触，提高太阳电池的效率；二是增加CdTe太阳电池的稳定性，获得比较长的器件寿命。
本发明实施例中采用的样品为CdTe太阳电池基本结构中（图1）不包含背电极（M）的部分：玻璃（G）/透明导电薄膜（T）/硫化镉（W）/ 碲化镉（A）（Glass/TCO/CdS/CdTe）。上述样品经过氯化镉退火处理，再经过背表面化学腐蚀，通过沉积如实施例中硒化钒背接触层（B），随后沉积金属背电极（M）即可制备CdTe太阳电池。硒化钒背接触层（B）的厚度大于30 nm，小于500nm，其中 50~100 nm最佳，大于100 nm也有较好作用。由于本发明是在基本结构的CdTe电池中添加硒化钒，因此，在下述实施例中，我们只对硒化钒背接触层的制备作详述，而制备前样品的处理，以及制备后金属背电极的沉积不再叙述。
实施例一：
（1）制备V-Se薄膜
把样品放入真空室，真空度为10-4pa，样品温度为室温，采用电子束蒸发法，交替蒸镀钒和硒，其中钒的纯度为99.999%，硒的纯度为99.97%。沉积钒的厚度1~10 nm，钒和硒厚度比为0.26，V-Se薄膜总厚度为80 nm；
（2）后处理V-Se薄膜
     把沉积了V-Se薄膜的样品取出，放入氮气或惰性气体保护的真空退火炉，进行后处理，温度为2500C~3000C，时间10~60分钟，然后自然冷却到室温，即获得具有VSe2-x（x=0）薄膜的样品。
实施例二：
（1）制备V-Se薄膜
把样品放入真空室，真空度为10-4pa，样品温度为3000C，采用电子束蒸发法，交替蒸镀钒和硒，其中钒的纯度为99.999%，硒的纯度为99.97%。沉积钒的厚度1~10 nm，钒和硒厚度比为0.26，V-Se薄膜总厚度为100 nm；
（2）后处理V-Se薄膜
     在真空室中，把样品保温10~60分钟，然后自然冷却到室温，即获得具有VSe2-x（x=0）薄膜的样品。
实施例三：
（1）安装靶材和样品
将钒靶（纯度99.99%及以上）和硒靶（纯度99.99%及以上）分别固定在溅射装置对应的两个靶位置上，将样品固定在基片位置上，调整好靶与基片的距离6~9 cm；
（2）制备V-Se薄膜
原位生长V-Se薄膜，即先加热样品温度为300 0C，然后共溅射钒和硒，获得V-Se薄膜，其中，本底真空~10-4 Pa，工作气体为氩气，工作气压0.1~3.5 Pa，钒靶溅射功率30~300 W，硒靶溅射功率30~100 W，溅射速率V/Se为0.26~0.27，溅射厚度70 nm；
（3）后处理V-Se薄膜
溅射完毕后，在溅射的气氛下，在溅射室内保气压10~60分钟，然后自然冷却到室温，即获得具有VSe2-x（x=0.03）薄膜的样品。
实施例四：
（1）安装靶材和样品
将钒靶（纯度99.99%及以上）和硒靶（纯度99.99%及以上）分别固定在溅射装置对应的两个靶位置上，将样品固定在基片位置上，调整好靶与基片的距离6~9 cm；
（2）制备V-Se薄膜
非原位生长V-Se薄膜，即样品温度为室温，然后共溅射钒和硒，获得V-Se薄膜，其中，本底真空~10-4 Pa，工作气体为氩气，工作气压0.1~3.5 Pa，钒靶溅射功率30~300 W，硒靶溅射功率30~100 W，溅射速率V/Se为0.29~0.3，溅射厚度50 nm；
（3）后处理V-Se薄膜
溅射完毕后，取出样品，放入氮气或惰性气体保护的真空退火炉，进行后处理，温度为2500C~3000C，时间10~60分钟，然后自然冷却到室温，即获得具有VSe2-x（x=0.23）薄膜的样品。

Claims (3)

1.一种硒化钒薄膜作背接触层的CdTe太阳电池，其结构为玻璃/透明导电薄膜/硫化镉/ 碲化镉/硒化钒/金属背电极，其特征是：以CdTe太阳电池基本结构为基础，采用硒化钒作为背接触层材料，添加在碲化镉与金属背电极之间。
2.如权利要求1所述的硒化钒薄膜作背接触层的CdTe太阳电池，其特征是：硒化钒的化学表达式为VSe2-x，其中 0≤x≤1，并满足空间群P-3m1，序号为164。
3.如权利要求1或2所述的硒化钒薄膜作背接触层的CdTe太阳电池，其特征是：硒化钒作为背接触层材料，其厚度大于30 nm，小于500 nm。
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