CN102629630A - 背接触层及将其制作在碲化镉薄膜太阳能电池上的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可用于碲化镉薄膜太阳能电池的背接触层，包括层叠的钼层、铝层和铬层，该背接触层用于碲化镉薄膜太阳能电池能够使CdTe的费米能级与背电极匹配，有效获得欧姆接触；本发明还提供了将该背接触层制作在碲化镉薄膜太阳能电池上的方法，先对碲化镉层进行氯化镉热退火处理和酸腐蚀，然后在碲化镉层表面喷涂氯化铜水溶液，再加热太阳能电池一定时间，最后用磁控溅射法在碲化镉薄膜的外表面依次沉积钼层、铝层和铬层，本方法操作简单，制作的背接触层薄膜结构致密、晶粒尺寸适宜，背接触层所含的各金属层之间金属原子扩散小，使碲化镉薄膜太阳能电池的开路电压和填充因子高，电池初始性能、长期稳定性优异，转换效率高。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池，具体涉及一种用于碲化镉薄膜太阳能电池的背接触层及将其制作在所述电池上的方法。
背景技术
碲化镉薄膜太阳能电池的结构如图1所示，是在玻璃衬底1上依次沉积透明导电层2、高阻层3、硫化镉4、碲化镉5和背接触层6。要制备高效的碲化镉薄膜太阳能电池，改善电池的背接触特性是关键。
由于碲化镉材料的功函数较高，达到5.5eV，很难找到一种合适的具有更高功函数的金属来与之形成欧姆接触。欧姆接触是指不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内的平衡载流子浓度发生显著的改变。而p-CdTe存在自动补偿效应，不易实现重掺杂，不能通过量子隧道效应实现欧姆接触。目前，在CdTe和金属背电极之间沉积过渡层可以实现p型重掺杂背接触层。
ZnTe、Sb2Te3等被认为是CdTe太阳电池的背接触优选材料，含Cu的ZnTe背接触层能获得性能很好的太阳电池，但是，Cu易向CdTe中扩散，堵塞CdTe的漏电通道，导致太阳能电池不稳定，解决此类问题的方法通常是在ZnTe:Cu层与CdTe层间引入本征ZnTe层；另外，ZnTe:Cu与金属之间可能形成反向结, 所以ZnTe: Cu层必须相对较薄。制作此类背接触层的通常方法是在把经过CdCl2热退火处理后的碲化镉层用酸腐蚀溶液（如溴甲醇溶液或磷酸和硝酸混合溶液）把其表面的氧化物腐蚀掉并产生一个富Te层，然后沉积ZnTe：Cu/HgTe：Cu层和金属层或者Sb2Te3层和金属层。这种工艺对于大规模生产来说太复杂，并且产品性能各自具有如下不足：以ZnTe：Cu/HgTe：Cu层和金属层作为背接触层的碲化镉薄膜太阳能电池初始转换率较好，但其性能随时间的衰减幅度较大，以Sb2Te3层和金属层作为背接触层的碲化镉薄膜太阳能电池的初始效率较低，但较为稳定。
发明内容
本发明的目的之一是克服所述缺陷，提供一种可用于碲化镉薄膜太阳能电池的背接触层，用于碲化镉薄膜太阳能电池能够使CdTe的费米能级与背电极匹配，获得稳定的欧姆接触。
本发明所述的背接触层包括依次沉积的钼层、铝层和铬层；所述结构的背接触层用于碲化镉薄膜太阳能电池能够使CdTe的费米能级与背电极匹配，获得稳定的欧姆接触，相比于现有结构的碲化镉薄膜太阳能电池背接触层而言，其结构更为简单，成本更低，现有技术的常规薄膜沉积方法（如化学气相沉积法、近空间升华法等）均能用于制造本发明所述的背接触层，加工更容易。
优选的，所述钼层的厚度为20-200纳米。
优选的，所述铝层的厚度为50-400纳米。
优选的，所述铬层的厚度为50-200纳米。
优选的，所述钼层的厚度为80-150纳米，所述铝层的厚度为120-200纳米，所述铬层的厚度为100-200纳米。
本发明的目的之二是提供一种将所述背接触层制作在碲化镉薄膜太阳能电池上的方法，该方法制作的背接触层薄膜结构致密、晶粒尺寸适宜，背接触层所含的各金属层之间金属原子扩散小，使碲化镉薄膜太阳能电池的开路电压和填充因子高，电池初始转换效率高，性能长期稳定性好。
本发明所述的将所述背接触层制作在碲化镉薄膜太阳能电池上的方法，其中，所述的太阳能电池是在玻璃衬底上依次沉积有透明导电层、高阻层、硫化镉层和碲化镉层而形成的结构，该方法包括如下步骤：（1）去除碲化镉层外表面的氧化物后，喷涂上氯化铜溶液；（2）于150-250oC温度加热步骤（1）所得的太阳能电池10-30分钟后，冷却，用清水清洗电池表面；（3）用磁控溅射法在碲化镉薄膜的外表面依次沉积钼层、铝层和铬层。
本发明所述的碲化镉薄膜太阳能电池的透明导电层包括但不限于氟掺杂的氧化锡，例如还可以为铝掺杂的氧化锌等透明导电物；所述的高阻层包括但不限于本征氧化锡，例如也可以是本征氧化锌。沉积透明导电层或高阻层的方法可以是化学气相沉积法，也可以是磁控溅射法。所述硫化镉层的沉积方法可以是近空间升华法、气相输运沉积法、磁控溅射法或化学水浴法等，硫化镉层的沉积厚度一般为50-150纳米；碲化镉层（即本发明所述的碲化镉薄膜）的沉积方法可以是近空间升华法、气相输运沉积法或磁控溅射法，其沉积厚度一般为2-6微米。
本方法的步骤（1）中，在去除氧化物的碲化镉层外表面喷涂氯化铜水溶液并在特定温度下加热特定时间，是为了使铜离子扩散到碲化镉材料中形成p型掺杂，提高碲化镉薄膜的多数载流子浓度；有利于提高电池长期稳定性。
优选的，所述氯化铜水溶液的浓度为1??10-6-1??10-9摩尔/升；氯化铜水溶液浓度不同会导致进入碲化镉层中氯化铜量不同，在本发明限定的浓度条件下，喷涂后进入碲化镉层中氯化铜量较为适宜，同时使后续退火温度均在较小范围促进电池转换效率的提升。
优选的，所述磁控溅射法的溅射工艺条件为：衬底温度为25-250oC,沉积速度为50-300纳米/分钟。
优选的，步骤（1）中，去除碲化镉层外表面氧化物之前，对该外表面进行氯化镉热退火处理。氯化镉热退火处理可按通常方式操作，例如在碲化镉层外表面喷涂或者旋涂一层300-400nm厚的CdCl2，然后在真空或保护气体中于400℃左右进行热处理15min左右，进行氯化镉热退火处理能够显著提高电池的短路电流及电池效率。
本发明所述的方法能够提高碲化镉薄膜太阳能电池的开路电压和填充因子，显著提高了碲化镉薄膜太阳能电池的初始转换效率，转换效率由在不使用含铜背接触情况下达到的13%左右提升到14%以上，并且保持了其长期稳定性，年转换效率衰减控制在1%以内。
附图说明
图1为现有技术的碲化镉薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明结构的碲化镉薄膜太阳能电池的结构示意图，其中，1为玻璃，2为透明导电层，如氟掺杂的氧化锡、铝或硼掺杂的氧化锌等，3为高阻层，如本征氧化锡或氧化锌，4为硫化镉层，5为碲化镉层，6为钼层，7为铝层，8为铬层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述。
实施例1
如图2，在玻璃衬底1上由内向外用化学气相沉积法沉积透明导电层2和高阻层3，然后再用气相输运沉积法沉积50纳米厚度的硫化镉层4和2微米厚度的碲化镉层5，得到太阳能电池；本实施例中，透明导电层2的材料为氟掺杂的氧化锡，高阻层3的材料为本征氧化锡，所述沉积方法的操作参数均为现有技术中沉积该种材料薄膜的常规参数。
在太阳能电池的碲化镉层外表面喷涂一层350nm厚的CdCl2，再于400℃的真空条件下进行热处理15min，然后用浓度为70%和25%的磷酸和硝酸混合溶液腐蚀退火处理后的电池的碲化镉层，去除碲化镉层表面的氧化物后，在碲化镉薄膜表面喷涂浓度为1??10-6摩尔/升的氯化铜水溶液；再于150-155oC温度下加热太阳能电池10分钟后，冷却，用清水清洗电池表面，清洗的目的是去除电池表面残留的氯化铜、酸等杂质；最后用磁控溅射法在碲化镉薄膜的外表面依次沉积钼层、铝层和铬层，钼层沉积厚度为20纳米，铝层和铬层的沉积厚度均为50纳米 。
待铬层沉积完毕，得到碲化镉薄膜太阳能电池，所得电池的初始转换效率为14.1%，年转换效率衰减程度小于1%。
实施例2
本实施例的操作如实施例1，区别在于：太阳能电池上的硫化镉层的沉积厚度为80纳米左右，碲化镉层的沉积厚度为4微米，透明导电层2的材料为铝掺杂的氧化锌，高阻层3的材料为本征氧化锌。
对太阳能电池的碲化镉层进行氯化镉热退火处理时，酸腐蚀采用的酸为浓度70%和25%的磷酸和硝酸混合溶液，氯化铜水溶液浓度为1??10-6摩尔/升；太阳能电池的加热温度190-195oC，加热时间为20分钟；碲化镉薄膜的外表面沉积的钼层厚度为80纳米、铝层和铬层的厚度均为120纳米。
所得碲化镉薄膜太阳能电池的初始转换效率为13.5%，年转换效率衰减程度小于1%。
实施例3
本实施例的操作如实施例1，区别在于：太阳能电池上的硫化镉层的沉积厚度为140纳米左右，碲化镉薄膜的沉积厚度为6微米，高阻层3的材料为本征氧化锌。
对太阳能电池的碲化镉层进行氯化镉热退火处理时，酸腐蚀采用的酸为浓度为70%和25%的磷酸和硝酸混合溶液，氯化铜水溶液浓度为3??10-7摩尔/升；太阳能电池的加热温度220-225oC，加热时间为20分钟；碲化镉薄膜的外表面沉积的钼层厚度为150纳米、铝层厚度为200纳米，铬层厚度为200纳米。
所得碲化镉薄膜太阳能电池的初始转换效率为13.7%，年转换效率衰减程度小于1%。
实施例4
本实施例的操作如实施例1，区别在于：太阳能电池上的硫化镉层的沉积厚度为150纳米左右，碲化镉层的厚度为5微米，透明导电层2的材料为铝掺杂的氧化锌。
对电池的碲化镉层进行氯化镉热退火处理时，酸腐蚀采用的酸为浓度为70%和25%的磷酸和硝酸混合溶液，氯化铜水溶液浓度为2??10-8摩尔/升；太阳能电池的加热温度245-250oC，加热时间为30分钟；碲化镉薄膜的外表面沉积的钼层厚度为100纳米、铝层厚度为400纳米，铬层的厚度为100纳米。
所得碲化镉薄膜太阳能电池的初始转换效率为13.5%，年转换效率衰减程度小于1%。
实施例5
本实施例的操作如实施例1，区别在于：太阳能电池上的硫化镉层的沉积厚度为130纳米左右，碲化镉层的厚度为4微米，高阻层的材料为本征氧化锌。
对电池的碲化镉层进行氯化镉热退火处理时，酸腐蚀采用的酸为浓度为70%和25%的磷酸和硝酸混合溶液，氯化铜水溶液浓度为6??10-8摩尔/升；太阳能电池的加热温度245-250oC，加热时间为30分钟；碲化镉薄膜的外表面沉积的钼层厚度为200纳米、铝层厚度为400纳米，铬层厚度为200纳米。
所得碲化镉薄膜太阳能电池的初始转换效率为13.9%，年转换效率衰减程度小于1%。
最后需要说明，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。
Claims (10)
1. 一种背接触层，其特征在于：包括依次沉积的钼层、铝层和铬层。
2.根据权利要求1所述的背接触层，其特征在于：所述钼层的厚度为20-200纳米。
3.根据权利要求1所述的背接触层，其特征在于：所述铝层的厚度为50-400纳米。
4.根据权利要求1所述的背接触层，其特征在于：所述铬层的厚度为50-200纳米。
5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的用于碲化镉薄膜太阳能电池的背接触层，其特征在于：所述钼层的厚度为80-150纳米，所述铝层的厚度为120-200纳米，所述铬层的厚度为100-200纳米。
6.将所述背接触层制作在碲化镉薄膜太阳能电池上的方法，所述太阳能电池是在玻璃衬底上依次沉积有透明导电层、高阻层、硫化镉层和碲化镉层而形成的结构，其特征在于：包括如下步骤：（1）去除碲化镉层外表面的氧化物后，喷涂上氯化铜溶液；（2）于150-250oC温度加热步骤（1）所得的太阳能电池10-30分钟后，冷却，用清水清洗电池表面；（3）用磁控溅射法在碲化镉薄膜的外表面依次沉积钼层、铝层和铬层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述氯化铜水溶液的浓度为1×10-6-1×10-9摩尔/升。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述磁控溅射法的溅射工艺条件为：衬底温度为25-250oC,沉积速度为50-300纳米/分钟。
9.根据权利要求6至8任一权利要求所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，去除碲化镉层外表面氧化物之前，对该外表面进行氯化镉热退火处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：采用酸腐蚀的方法去除碲化镉层外表面的氧化物。
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