CN103198874A - 一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法及其使用的石墨导电膏 - Google Patents

一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法及其使用的石墨导电膏 Download PDF

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Abstract

一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法及其使用的石墨导电膏，包括形成一碲化镉层，在所述碲化镉层的一侧面覆盖厚度为0.5～3微米的石墨导电膏，干燥后在退火炉中，200～300℃温度条件下热处理30～60分钟；其中，所述石墨导电膏主要由60～90％的基础材料和5～33％的石墨烯组成，所述基础材料为石墨或/和炭黑；所述基础材料的粒径为0.005～0.9微米；所述石墨烯为1～10层的石墨烯。本发明采用含有石墨烯的背接触导电石墨膏作为背接触层，由于石墨烯超强的导电性能，可以在P型CdTe薄膜和金属背电极中形成一层低电阻、稳定性高的欧姆接触，从而有效改善电池的性能。

Description

一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法及其使用的石墨导电膏
技术领域
本发明涉及一种碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池的制备方法及其使用的石墨导电膏，属于薄膜太阳能电池技术领域。
背景技术
随着当今世界人口和经济的增长、能源资源的日益匮乏、环境的日益恶化以及人们对电能需求量越来越大，太阳能的开发和利用已经在全球范围内掀起了热潮。这非常有利于生态环境的可持续发展、造福子孙后代，因此世界各国竞相投资研究开发太阳能电池。太阳能电池是一种利用光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的器件。太阳能电池种类繁多，其中重要的一类为薄膜太阳能电池。
碲化镉薄膜太阳电池是以碲化镉(CdTe)为吸收层的一种化合物半导体薄膜太阳能电池。因其具有成本低、效率高、稳定性好以及抗辐射能力强等优点，而具有广阔的市场应用前景，得到人们极大的重视。CdTe的理论效率为28％，但是目前碲化镉薄膜太阳能电池的最高转化效率为17.3％，大面积组件(1.2×0.6m2)的转化效率为13.4％，在商业上业已取得了成功。在将现有大面积组件转化效率(13.4％)向理论效率(28％)提升的过程，阻碍的因素很多，其中背接触是主要原因之一。
CdTe薄膜太阳电池的一般结构为：玻璃/透明导电膜/窗口层/吸收层/背接触层/背电极层构成的层叠结构。玻璃衬底主要对电池起支架、防止污染和入射太阳光的作用。透明导电膜(TCO层)，主要起的是透光和导电的作用。窗口层(如CdS)为n型半导体，与p型CdTe组成pn结。CdTe吸收层是电池的主体吸光层，与n型的CdS窗口层形成的pn结是整个电池核心部分。背接触层和背电极层使金属电极与CdTe形成欧姆接触，用以引出电流。
CdTe具有很高的功函数(其功函数在5.5eV以上)，与大多数金属都很难匹配，从而限制电池性能的提高。为了获得良好的欧姆接触，一般采用在CdTe吸收层与金属背电极之间引入一层(缓冲层)，背接触层的材料需要与CdTe的功函数相匹配来降低接触电阻。目前常用的背接触层材料有碲化锌(ZnTe)、碲化汞(HgTe)，碲化锑(Sb2Te3)等，这些材料多为化合物半导体材料，其缺点一方面表现为材料本身价格较为昂贵；另一方面表现为在制备手段上，需要采取蒸发法、溅射法等设备成本较高的方法进行薄膜的沉积，因此在实际产业化中并没有优势，使得碲化镉薄膜太阳电池的成本较高。
发明内容
本发明目的是提供一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法及其使用的石墨导电膏。
为达到上述目的，本发明采用的第一种技术方案是：一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，包括形成一碲化镉层，在所述碲化镉层的一侧面覆盖厚度为0.5～3微米的石墨导电膏，干燥后在退火炉中，200～300℃温度条件下热处理30～60分钟；其中，所述石墨导电膏主要由下列质量百分含量的材料组成：
基础材料          60～90％；
石墨烯            5～33％；
所述基础材料为石墨或/和炭黑；所述基础材料的粒径为0.005～0.9微米；所述石墨烯为1～10层的石墨烯。
在一较佳实施例中，所述石墨烯为单层石墨烯。
在一较佳实施例中，所述石墨导电膏中还含有质量百分含量为0.1～3％的铜粉。
在一较佳实施例中，所述石墨导电膏中还含有质量百分含量为0.1～15％的分散剂，该分散剂为邻苯二甲酸酯和乙二醇酯中的至少一种。
在一较佳实施例中，所述石墨导电膏中还含有质量百分含量为1～10％的碲粉。
在一较佳实施例中，所述石墨导电膏中还含有质量百分含量为0.2～7％的银粉。
在一较佳实施例中，所述石墨导电膏中还含有质量百分含量为0.5～9％含汞化合物。
在一较佳实施例中，所述含汞化合物为碲化汞、氧化汞、硫化汞、氯化汞、硫酸汞或硝酸汞。
在一较佳实施例中，所述石墨为氧化石墨。
为达到上述目的，本发明采用的第二种技术方案是：一种石墨导电膏，所述石墨导电膏主要由下列质量百分含量的材料组成：
基础材料             60～90％；
石墨烯           5～33％；
所述基础材料为石墨或/和炭黑；所述基础材料的粒径为0.005～0.9微米；所述石墨烯为1～10层的石墨烯。
在一较佳实施例中，所述石墨烯为单层石墨烯。
在一较佳实施例中，所述石墨导电膏中还含有质量百分含量为0.1～3％的铜粉、质量百分含量为1～10％的碲粉、质量百分含量为0.2～7％的银粉、质量百分含量为0.5～9％含汞化合物以及质量百分含量为0.1～15％的分散剂；其中，所述分散剂为邻苯二甲酸酯和乙二醇酯中的至少一种。
在一较佳实施例中，所述含汞化合物为碲化汞、氧化汞、氯化汞、硫化汞、硫酸汞或硝酸汞。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1、上述方案中，石墨烯(graphene)是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，是世界上最薄的二维材料，其厚度仅为0.35纳米。这种特殊结构使石墨烯表现出许多优异性能。例如，石墨烯的载流子迁移率高达15000cm2·V-1·s-1，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍，以及很高的比表面积(理论计算值2630m2/g)。由于石墨烯具有性能优异、成本低廉等众多优点，可以制备基于石墨烯的各种柔性电子器件和功能复合材料。
2、上述方案中，所述乙二醇酯具体可以为：二甲基丙烯酸乙二醇酯、二巯基乙酸乙二醇酯、二乙二醇二丙烯酸酯、乙二醇单乙酸酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、乙二醇二丙酸酯、乙二醇二丁酸酯、乙二醇二硝酸酯、乙二醇碳酸酯、C5-9脂肪酸乙二醇双酯、乙二醇二乙酸酯。
3、上述方案中，所述邻苯二甲酸酯具体可以为邻苯二甲酸二辛酯；邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸甲苯基丁酯(BBP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二丙酯(DPrP)、邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)、邻苯二甲酸二戊酯(DPP)、邻苯二甲酸二正辛酯(DNOP)、邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)、邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP)、邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二己酯(DHP)、邻苯二甲酸二环己酯(DCHP)、邻苯二甲酸二异辛酯(DIOP)、邻苯二甲酸二正壬酯(DNNP)。
4、上述方案中，所述碲化镉层的表面在涂覆石墨导电膏层之前进行清洗，清洗液包括NP(硝酸和磷酸混合液)、NA(硝酸和冰乙酸混合液)、BM(溴和甲醇混合液)和KD(重铬酸钾和硫酸混合液)。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
1、本发明由于采用了石墨烯这一具有优异的电流收集能力的材料，对涂覆的均匀性的要求不高。
2、本发明采用含有石墨烯的背接触导电石墨膏作为背接触层，由于石墨烯超强的导电性能，可以在P型CdTe薄膜和金属背电极中形成一层低电阻、稳定性高的欧姆接触，从而有效改善电池的性能。
3、本发明含石墨烯的石墨膏配方所需材料价格便宜，制备工艺简单，所需设备的成本较低，有利于大规模产业化。
附图说明
附图1为本发明制得的碲化镉薄膜太阳能电池示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法及其使用的石墨导电膏
本发明制得的碲化镉薄膜太阳能电池结构如图1所示，在附图1中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度。并且，各层之间的图示厚度比例并不实际反映太阳电池中各层的厚度比例。碲化镉薄膜太阳能电池由透明导电膜1、窗口层2、CdTe吸收层3、由石墨烯和石墨构成的导电背接触层4和金属背电极层5构成。
与常规的CdTe薄膜太阳电池类似，本发明的CdTe薄膜太阳电池也包括透明导电膜1、窗口层2和CdTe吸收层3，窗口层2和CdTe吸收层3用于形成pn异质结，其可以在光照射下产生光伏效应。透明导电膜1优选地，其为TCO(Transparent Conductive Oxide，透明导电氧化物)材料制成。窗口层2优选地为硫化镉(CdS)材料制成，窗口层2和CdTe吸收层3的具体制备方法过程为本领域技术人员所悉知，在此不作一一详述。同时需要说明的是，CdS窗口层2和/或CdTe吸收层3的具体材料改性(例如掺杂以提高转换效率)均不受本发明实施例限制，其均应该落入本发明提供的CdTe薄膜太阳电池的范围中。
本实施例中的TCO透明导电膜1的具体材料为二氧化锡掺氟，其也可以为氧化锌掺铝或铟锡氧化物等，要求材料具有较高的透过率和导电率，通过溅射法、化学气相反应法进行沉积。
窗口层2的材料也可以是硫化锌。窗口层2可以通过化学水浴法、溅射法进行沉积。
CdTe吸收层3，通过近空间升华法进行沉积。
由石墨烯和石墨构成的导电背接触层4是通过将含石墨烯的石墨导电膏涂覆到经过腐蚀处理后的碲化镉(CdTe)表面，厚度为0.5～3μm，干燥后放入真空或者通有氮气、氩气、氦气或者上述气体的混合气的退火炉中，在200～300℃下热处理40min。冷却至室温后，在含石墨烯的石墨导电背接触层上制备金属电极。
金属背电极层5，其材料可以是镍、或铝、或铬、或金等，可以通过溅射、蒸发的方法进行制备。
本发明含石墨烯的石墨导电膏的制备方法包括：将质量百分含量为15％的单层石墨烯、质量百分含量为73％的石墨、质量百分含量为7％的碲(Te)粉和质量百分含量为3％的铜(Cu)粉加入质量百分含量为2％邻苯二甲酸二丁酯(DBP)中混合均匀制得石墨导电膏。
经过本发明制备的碲化镉太阳能薄膜电池背接触层，能够在碲化镉层和背电极金属层之间获得良好的欧姆接触特性，石墨烯的超强导电性可以有效地降低电池的串联电阻，对电池性能提升有很大帮助。
本发明在常压下涂覆碲化镉太阳能电池背接触层，不需真空设备，同时原料成本也较低，有利于大规模产业化应用。
所述碲化镉层的表面在涂覆石墨导电膏层之前进行清洗，清洗液为NP(硝酸和磷酸混合液)。清洗液还可以为NA(硝酸和冰乙酸混合液)、BM(溴和甲醇混合液)和KD(重铬酸钾和硫酸混合液)。
对比例：石墨导电膏中没有添加石墨烯，其它成分与实施例一完全相同，电池的制备方法也与实施例一完全相同。
在电池其它结构都相同的条件下，两组(每组包括24块面积0.49cm2的小电池)电池的平均表现见下表。
Figure BSA00000654124600051
实施例二、一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法及其使用的石墨导电膏
一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，包括形成一碲化镉层，在所述碲化镉层的一侧面覆盖厚度为2微米的石墨导电膏，干燥后在退火炉中，260℃温度条件下热处理40分钟；其中，所述石墨导电膏由下列质量百分含量的材料组成：
基础材料          90％；
石墨烯            10％；
所述基础材料为炭黑；所述基础材料的粒径为0.005～0.9微米；所述石墨烯为1单层石墨烯。本实施例中除了背接触层4以外，其它部分的制备方法同实施例一，也可以采用习知的制备方法。在本实施例中，由于没有添加分散剂，因此需要通过强力搅拌的方式将两者混合均匀后再涂覆在碲化镉吸收层3的一侧面。
实施例三、一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法及其使用的石墨导电膏
一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，包括形成一碲化镉层，在所述碲化镉层的一侧面覆盖厚度为1微米的石墨导电膏，干燥后在退火炉中，240℃温度条件下热处理50分钟；其中，所述石墨导电膏的配方见表1：
所述基础材料为石墨；所述基础材料的粒径为0.5～0.7微米；所述石墨烯为单层石墨烯。本实施例中除了背接触层4以外，其它部分的制备方法同实施例一，也可以采用习知的制备方法。
表1：石墨导电膏的配方
  基础材料   石墨烯   分散剂   铜粉   碲粉   银粉   汞化合物
  实施例三   60％   33％   /   0.5％   6％   0.5％   /
  实施例四   75％   19％   4％   /   /   /   2％
  实施例五   79％   7％   2％   3％   7％   1.5％   0.5％
注：基础材料：实施例四为石墨和氧化石墨按照1∶1的质量比例混合；实施例五为氧化石墨；石墨烯：实施例四和实例五为3～4层的石墨烯；分散剂：实施例四为乙二醇二丙酸酯；实施例五为二巯基乙酸乙二醇酯和邻苯二甲酸二乙酯(DEP)按照1∶1的质量比例混合；汞化合物：实施例四为碲化汞(HgTe)；实施例五为硫化汞。所述基础材料的粒径为0.005～0.9微米。
实施例四、实施例五：一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法及其使用的石墨导电膏
石墨导电膏的配方见表1，电池的制备方法同实施例一。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种碲化镉薄膜太阳能电池用石墨导电膏，其特征在于：所述石墨导电膏主要由下列质量百分含量的材料组成：
基础材料        60～90％；
石墨烯          5～33％；
所述基础材料为石墨或/和炭黑；所述基础材料的粒径为0.005～0.9微米；所述石墨烯为1～10层的石墨烯。
2.根据权利要求1所述的石墨导电膏，其特征在于：所述石墨烯为单层石墨烯。
3.根据权利要求1所述的石墨导电膏，其特征在于：所述石墨导电膏中还含有质量百分含量为0.1～3％的铜粉、质量百分含量为1～10％的碲粉、质量百分含量为0.2～7％的银粉、质量百分含量为0.5～9％含汞化合物以及质量百分含量为0.1～15％的分散剂；其中，所述分散剂为邻苯二甲酸酯和乙二醇酯中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的石墨导电膏，其特征在于：所述含汞化合物为碲化汞、氧化汞、硫化汞、氯化汞、硫酸汞或硝酸汞。
5.一种使用如权利要求1所述石墨导电膏制备碲化镉薄膜太阳能电池的方法，包括形成一碲化镉层，其特征在于：在所述碲化镉层的一侧面覆盖厚度为0.5～3微米的石墨导电膏，干燥后在退火炉中，200～300℃温度条件下热处理30～60分钟；其中，所述石墨导电膏主要由下列质量百分含量的材料组成：
基础材料           60～90％；
石墨烯             5～33％；
所述基础材料为石墨或/和炭黑；所述基础材料的粒径为0.005～0.9微米；所述石墨烯为1～10层的石墨烯。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述石墨烯为单层石墨烯。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述石墨导电膏中还含有质量百分含量为0.1～3％的铜粉。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述石墨导电膏中还含有质量百分含量为0.1～15％的分散剂，该分散剂为邻苯二甲酸酯和乙二醇酯中的至少一种。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述石墨导电膏中还含有质量百分含量为1～10％的碲粉。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述石墨导电膏中还含有质量百分含量为0.2～7％的银粉。
11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述石墨导电膏中还含有质量百分含量为0.5～9％含汞化合物。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述含汞化合物为碲化汞、氧化汞、硫化汞、氯化汞、硫酸汞或硝酸汞。
13.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述石墨为氧化石墨。
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