CN102891204A - 一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池 - Google Patents

一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池，该电池包括：衬底，在衬底上依次生长有金属Mo复合背电极层、重掺杂p＋-CdTe层、i-CdTe层、n-CdS层、前电极透明导电氧化物薄膜层。本发明的优点是：i-CdTe／p＋-CdTe同质结避免了界面的晶格失配和能带的不连续；重掺杂p＋-CdTe层改善了中性CdTe:O层的内建电场，提高了载流子的收集率，显著降低了金属背电极和CdTe薄膜的接触势垒，提高了电池的开路电压；调节中性CdTe:O层的厚度可以实现对入射光辐射的最大吸收和转化，CdTe掺氧可以钝化缺陷同时降低Cu向中性CdTe:O层和n-CdS层的扩散；整个制备工艺可以在低于400℃的温度下进行。

Description

一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池
技术领域
本发明涉及Ⅱ-Ⅵ簇半导体薄膜太阳能电池，具体是指一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池。
背景技术
目前CdS/CdTe薄膜太阳能电池的最高转化效率为17.3%，理论研究表明，影响进一步提高转化效率的主要障碍在于开路电压的提高，而CdTe薄膜低的载流子浓度和少子寿命，以及背接触势垒是影响开路电压提高的主要原因。对于上层配置的CdS/CdTe薄膜太阳能电池，主要采用如下途经来解决：1.CdCl2热退火激活载流子，使载流子浓度达1014cm-3；2.采用含Cu复合背电极，例如：Cu/Au、Cu/石墨，或者采用重掺杂Hg或Cu的石墨；或者采用高载流子浓度的缓冲层ZnTe:Cu作为背接触层和高功函数的金属材料如：Ni、Mo、Hg、Pb和Au等作为电极层构成的复合电极。3.结合制备工艺在CdTe层材料中形成VCd +空位和CuCd的替位式缺陷，显著提高p-型载流子浓度，但是电极合金化温度过高，Cu会扩散到pn结界面和CdS层，影响电池效率和产生转换效率的衰减。
对于下层配置的CdS/CdTe薄膜太阳能电池，由于首先制备背电极和背接触层，在随后的高温制备过程中上述金属杂质会扩散进入电池内部，影响电池性能。例如：如果制备工艺和退火温度过高，Cu会在CdTe材料中形成间隙式n型载流子，降低p-CdTe材料的载流子浓度，同时Cu会向pn结和CdS层扩散；但是如果退火温度过低，p-CdTe薄膜材料不能有效激发载流子，同时再结晶晶粒发育不充分。因此在下层配置的CdTe薄膜太阳能电池的制备中，将含Cu背接触复合电极整合到电池的制备工艺中是一个迫切需要解决的问题。
非晶硅薄膜太阳能电池是典型的p-i-n双结型电池结构，其中P-I结和I-N结均为同质结，在p区和n区间产生内建电场，i区为有源区，光生载流子在i区产生并在内建电场的作用下分别被p区和n区收集。理论研究表明，CdTe薄膜太阳能电池采用n-i-p型的电池结构可以有效提高开路电压，因此n-i-p型的CdTe薄膜太阳能电池成为研究的热点。目前形成n-i-p型的电池结构有两种方案：一种方案是在p-CdTe薄膜与金属背电极之间加入一层p-ZnTe宽带隙的半导体，但是CdTe/ZnTe异质结能带突变不利于背电极对p-型载流子空穴的收集，并且CdTe和ZnTe异质界面的晶格失配产生了大量的载流子复合中心。另一种方案是在n-CdS薄膜与p-CdTe薄膜之间加入FeSx，但是FeSx后退火形成FeS2是在富S气氛和400℃～500℃温度下进行，导致背电极金属杂质的扩散和Fe元素扩散进入CdTe材料，从而降低电池性能，同时CdS/FeS2，FeS2/CdTe均为异质结，存在着能带突变和晶格失配的问题。
发明内容
针对上述CdS/CdTe薄膜太阳能电池存在的问题，特别是为了进一步提高CdS/CdTe薄膜太阳能电池的转换效率，本发明提出了一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池。
本发明的一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池，包括：衬底，在衬底上依次生长有金属Mo复合背电极层、重掺杂p＋-CdTe层、i-CdTe层、n-CdS层、前电极透明导电氧化物薄膜层。
所述的复合背电极为三层金属Mo薄膜复合而成，从衬底起，依次为：80～150nm厚的高阻残余压应力金属Mo薄膜，500～700nm厚的低阻残余拉应力金属Mo薄膜，20～30nm厚的低阻高反射残余拉应力金属Mo薄膜。
所述的重掺杂p＋-CdTe层是由CdCl2热退火和Cu掺杂形成，p-型载流子浓度>1015cm-3，薄膜厚度为300nm～1000nm。
所述的i-CdTe层是中性含氧CdTe:O薄膜，氧含量原子百分比为0.1～1%，薄膜厚度为1000nm～3000nm。
所说述的衬底为玻璃、柔性无应力钢、耐高温聚合物薄膜中的一种。
所述的前电极透明导电氧化物薄膜为ZnO:Al薄膜或者为ZnO:Al/i-ZnO双层薄膜。
本发明的显著特点在于：i-CdTe／p＋-CdTe同质结避免了界面的晶格失配和能带的不连续；重掺杂p＋-CdTe改善了CdTe:O层的内建电场，提高了载流子的收集率，显著降低了金属背电极和CdTe薄膜的接触势垒，提高了电池的开路电压；调节CdTe:O层的厚度可以实现对入射光辐射的最大吸收和转化，CdTe掺氧可以钝化缺陷同时降低Cu向CdTe:O层和n-CdS层的扩散。
附图说明
图1为本发明的一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作详细说明：
如附图1所示，本实施例的一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池，包括：衬底6，在衬底6上依次生长有金属Mo复合背电极5、p＋-CdTe层4、i-CdTe层3、n-CdS层2和前电极氧化物透明导电膜1。
本实施例采用磁控溅射法，具体工艺过程如下：
1．衬底6为耐400℃高温的聚酰亚胺，在聚酰亚胺薄膜上依次磁控溅射80～150nm厚的高阻残余压应力金属Mo薄膜、500～700nm厚的低阻残余拉应力金属Mo薄膜、20～30nm厚的低阻高反射残余拉应力金属Mo薄膜，构成金属Mo复合背电极5。
2．将上述样品加热到250℃～300℃，磁控溅射制备300～1000nm厚的CdTe薄膜，然后对CdTe薄膜进行热处理。热处理工艺如下：
a．采用干法退火工艺，在石墨舟中以CdCl2为蒸发源，CdTe薄膜和CdCl2蒸发源面的距离为2～3mm，在370℃～400℃温度下，退火30～40min；
b．60～80℃温水冲洗，干燥氮气吹干。
3.再将上述样品放到溅射腔内，室温溅射制备2～5nm厚的金属Cu薄膜，随后在250℃～300℃温度下，退火20～30min。
4．用浓盐酸与去离子水按1:6混合配制成的稀盐酸冲洗上述样品，去除样品表面残留的Cu和氧化膜，再用去离子水冲洗，干燥氮气吹干。在金属Mo复合背电极上构成p＋-CdTe层4。
5．低温150℃～250℃，磁控溅射制备1000～3000nm厚的CdTe薄膜。工作气体为Ar和O2混合气体，O2的流量比<5%。在p＋-CdTe层上构成i-CdTe层3。
6．磁控溅射制备80～200nm厚的n-CdS薄膜，然后在温度为200℃～220℃，Ar+O2气氛，流量比为：Ar:O2=8:1，气压为0.75～1atm的气氛中退火。在i-CdTe层3上构成n-CdS薄膜2。
7．在n-CdS层2上磁控溅射制备ZnO2:Al/i:ZnO双层透明导电薄膜。ZnO2:Al薄膜的厚度为700nm，i:ZnO薄膜的厚度为80nm。

Claims (5)

1.一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池，包括：衬底（6），其特征在于：在衬底上依次生长有金属Mo复合背电极层（5）、重掺杂p＋-CdTe层（4）、i-CdTe层（3）、n-CdS层（2）、前电极透明导电氧化物薄膜层（1）。
2.根据权利要求1的一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池，其特征在于：所说的复合背电极层（5）为三层金属Mo薄膜复合而成，从衬底起，依次为：80～150nm厚的高阻残余压应力金属Mo薄膜，500～700nm厚的低阻残余拉应力金属Mo薄膜，20～30nm厚的低阻高反射残余拉应力金属Mo薄膜。
3.根据权利要求1的一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池，其特征在于：所述的重掺杂p＋-CdTe层（4）是由CdCl2热退火和Cu掺杂形成，p-型载流子浓度>1015cm-3，薄膜厚度为300nm～1000nm。
4.根据权利要求1的一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池，其特征在于：所述的i-CdTe层（3）是中性含氧CdTe:O薄膜，氧含量原子百分比为0.1～1%，薄膜厚度为1000nm～3000nm。
5.根据权利要求1的一种下层配置的n-i-p结构的CdTe薄膜太阳能电池，其特征在于：所说述的衬底（6）为玻璃、柔性无应力钢、耐高温聚合物薄膜中的一种。 
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