CN103762250A - 碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构、太阳电池、电池组件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源材料与器件领域，尤其涉及碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构、太阳电池、电池组件及制备方法。发明的技术方案为：一种碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构，所述背接触结构位于碲化镉吸收层和背电极层之间，所述背接触结构为氮化钼和氧化钼的混合物层，结构为(1-A)氮化钼-A氧化钼，0<A<1。MoOy的功函数较高，MoNx的导电性较好，采用两者复合，可以背接触材料兼具这两种材料的优点。
Description
技术领域
本发明属于新能源材料与器件领域，尤其涉及碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构、太阳电池、电池组件及制备方法。
背景技术
碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池是以CdTe为吸收层的一种化合物半导体薄膜太阳电池，因其高效、低成本的特点，受到很多研究构和公司的关注，目前该电池的最高转化效率为17.3%，大面积组件（1.2×0.6m2）的转化效率达13.4%。
CdTe薄膜太阳电池的结构为：玻璃/透明导电膜/窗口层/吸收层/背接触层/背电极层。其中吸收层CdTe为p型，且其电子亲和势～4.3eV，禁带宽度～1.5eV，很难找到功函数比CdTe高的金属材料与其形成欧姆接触。如果CdTe和金属电极直接接触，接触势垒很高，将使得电池的串联电阻很大。这一问题的解决方法通常是在CdTe和背电极之间引入半导体背接触层，来减小接触势垒对空穴传输的阻碍，从而减小串联电阻。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，价格较为昂贵，使得碲化镉薄膜太阳电池的成本较高。
为了进一步降低碲化镉薄膜太阳电池的成本，美国first solar公司在2008年申请了三个专利（申请号为：US20080110498，US2008128020，US20080128022）中提出了一种新型的背接触结构：氮化钼/铝/铬结构（氮化钼/Al/Cr）。该背接触均可使用单质为原材料制备，很大程度上降低了CdTe太阳电池的生产成本，该结构有一定的弱点：氮化钼具有一定的金属特性，在作为背接触材料使用时任然存在金属—半导体接触的问题。MoOx是一种功函数比较高的氧化物半导体材料，是一种较为优良的背接触材料，目前使用该种背接触已经取得了不错的效果，但是氧化物半导体其电阻率较高，这对于电池来说还是不够理想。
发明内容
本发明的目的就是为了消除上述缺陷，提供了碲化镉薄膜太阳电池的一种背接触结构及制备方法，该技术方案背接触结构为氮化钼和氧化钼的混合物层，或包括Cu层、 氮化钼和氧化钼的混合物层。得到较低的串联电阻，降低成本的同时获得更高的性能的CdTe薄膜太阳电池。本发明同时提供了包括该背接触结构的碲化镉薄膜太阳电池及太阳电池组件。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构，所述背接触结构位于碲化镉吸收层和背电极层之间，所述背接触结构为氮化钼和氧化钼的混合物层，结构为(1-A)氮化钼-A氧化钼， 0<A<1。
在沉积氮化钼和氧化钼的混合物层后进行退火处理，退火温度为100度-300度，退火时间为10-90分钟。
制备所述碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构的方法，在所述碲化镉吸收层表面沉积Cu层，在Cu层表面沉积氮化钼和氧化钼的混合物层。
在沉积氮化钼和氧化钼的混合物层后，还要进行退火处理，退火温度为 150度-250度，退火时间为10-90分钟。
所述Cu层的制备方法为电子束热蒸发、磁控溅射或Cu盐扩散法。此方法为现有技术，在此不展开说明。此外本发明没有详细说明的方法均为现有技术的方法。
所述沉积氮化钼和氧化钼的混合物层的方法与上述相同，或以用反应溅射的方法进行沉积，也可以用电子束热蒸发的方法沉积。
本发明的有益效果是：本发明在CdTe后采用反应溅射法制备出Mo(NxOy)的背接触层。由于碲化镉功函数较高，很难直接和背金属形成欧姆接触，因此必须增加背接触层来解决这个问题。MoNx和MoOy都属于具有高功函数的半导体材料，且兼有一定的金属性，是一种较好的背接触材料。MoOy的功函数较高，MoNx的导电性较好，采用两者复合，可以背接触材料兼具这两种材料的优点。
使用反应溅射的方法，调控溅射气体中的氧气和氮气的含量，可以非常有效的调控MoNx和MoOy的比例，来获得我们所需的成分比例，且避免了使用陶瓷靶材，更加经济。并且本发明的背接触层都使用单质为原料进行制备，可以降低CdTe薄膜太阳电池的制造成本。
附图说明
图1为实施例1背接触结构为 0.5Mo2N-0.5MoO2 的电池的J-V测试图，
图2为实施例1做为对比背接触结构为Mo2N的电池的J-V测试图，
图3为实施例2背接触结构为Cu/0.5Mo2N-0.5MoO2 的电池的J-V测试图，
图4为实施例2做为对比背接触结构为Cu/Mo2N的电池J-V测试图，
图5为实施例3背接触结构为0.7MoN-0.3MoO3的电池的J-V测试图，
图6为实施例4背接触结构为0.2Mo2N3-0.8MoO2的电池的J-V测试图，
图7为实施例5背接触结构为0.3Mo2N3-0.3MoO2-0.4Mo2O3的电池的J-V测试图，
图8为实施例6背接触结构为Cu/0.3Mo2N-0.7MoO3的电池的J-V测试图，
图9为实施例7背接触结构为Cu/0.9Mo2N-0.1MoO2的电池的J-V测试图。
具体实施方式
实施例1
本发明背接触结构为 0.5Mo2N-0.5MoO2 的电池。
制备方法及条件：磁控溅射制备120nm厚，Ar/O2/N2=0.95/0.02/0.03, 溅射气压为2.5Pa,衬底温度150度，溅射功率为200W。
溅射完0.5Mo2N-0.5MoO2层后退火，退火温度为200度，退火时间为40分钟。
根据图1所示，其J-V测试结果如下，效率可达11.556%，开路电压为775mV，填充因子为0.66，短路电流22.48mA/cm2。
对比例：
背接触结构为Mo2N的电池。
制备方法：磁控溅射制备120nm厚Mo2N背接触层，Ar/N2=98/2。
根据图2所示，其J-V测试如下，效率为9.53%，填充因子为0.569，开路电压为731mV，短路电流密度为22.8mA/cm2。
对比结果：校对比例，本发明比对比例的电池效率提升20%，开路电压提升6%，填充因子提升16%。
实施例2
背接触结为Cu/0.5Mo2N-0.5MoO2 的电池。
制备条件：
Cu层：磁控溅射制备5nm，溅射气压：2.4Pa，衬底温度：室温，功率:100w (110mm直径圆靶)。
0.5Mo2N-0.5MoO2层：磁控溅射制备120nm厚，Ar/O2/N2=0.95/0.02/0.03, 溅射气压为2.5Pa,衬底温度150度，溅射功率为200W。
溅射完0.5Mo2N-0.5MoO2层后退火，退火温度为200度，退火时间为40分钟。
根据图3所示，其J-V测试结果如下，效率可达13.15%，开路电压为786mV，填充因子为0.67，短路电流23.97mA/cm2。
对比例：
背接触结构为Cu/Mo2N的电池。
制备条件：
Cu层：磁控溅射制备5nm，溅射气压：2.4Pa，衬底温度：室温，功率:100w (110mm直径圆靶)。
Mo2N层：磁控溅射制备120nm厚，Ar/N2=0.98/0.02, 溅射气压为2.5Pa,衬底温度150度，溅射功率为200W。
溅射完Mo2N层后退火，退火温度为200度，退火时间为40分钟。
根据图4所示，其J-V测试如下，效率为11.88%，填充因子为0.653，开路电压为768mV，电流密度为23.66mA/cm2。
对比结果：校对比例，本发明比对比例的电池效率提升10%，开路电压提升2.3%，填充因子提升2.6%，短路电流密度提升1.3%。
实施例3
背接触结为 0.7MoN-0.3MoO3 的电池。
制备方法及条件：磁控溅射制备120nm厚，Ar/O2/N2=0.94/0.04/0.02, 溅射气压为2.5Pa,衬底温度150度，溅射功率为200W.
溅射完0.7MoN-0.3MoO3层后退火，退火温度为220度
根据图5所示，其J-V测试结果如下，效率可达10.834%，开路电压为789mV，填充因子为0.615，短路电流22.3mA/cm2。
实施例4
背接触结为 0.2Mo2N3-0.8MoO2 的电池。
制备方法及条件：磁控溅射制备120nm厚，Ar/O2/N2=0.94/0.01/0.05, 溅射气压为2.5Pa,衬底温度150度，溅射功率为200W.
溅射完0.2Mo2N3-0.8MoO2层后退火，退火温度为200度
根据图6所示，其J-V测试结果如下，效率可达11.004%，开路电压为758mV，填充因子为0.634，短路电流22.85mA/cm2。
实施例5
背接触结为 0.3Mo2N3-0.3MoO2-0.4Mo2O3 的电池。
制备方法及条件：磁控溅射制备120nm厚，Ar/O2/N2=0.93/0.02/0.05, 溅射气压为2.5Pa,衬底温度180度，溅射功率为200W.
溅射完0.3Mo2N3-0.3MoO2-0.4Mo2O3层后退火，退火温度为210度
根据图7所示，其J-V测试结果如下，效率可达11.265%，开路电压为779mV，填充因子为0.632，短路电流22.83mA/cm2。
实施例6
背接触结为Cu/0.3Mo2N-0.7MoO3 的电池。
制备条件：
Cu层：磁控溅射制备4nm，溅射气压：2.4Pa，衬底温度：室温，功率:90w (110mm直径圆靶)。
0.3Mo2N-0.7MoO3层：磁控溅射制备120nm厚，Ar/O2/N2=0.95/0.01/0.04, 溅射气压为2.5Pa,衬底温度150度，溅射功率为200W.
溅射完0.3Mo2N-0.7MoO3层后退火，退火温度为200度
根据图8所示，其J-V测试结果如下，效率可达12.04%，开路电压为788mV，填充因子为0.66，短路电流23.03mA/cm2。
实施例7
背接触结为Cu/0.9Mo2N-0.1MoO2 的电池。
制备条件：
Cu层：磁控溅射制备5nm，溅射气压：2.4Pa，衬底温度：室温，功率:100w (110mm直径圆靶)。
0.9Mo2N-0.1MoO2层：磁控溅射制备110nm厚，Ar/O2/N2=0.93/0.06/0.01, 溅射气压为2.5Pa,衬底温度150度，溅射功率为200W.
溅射完0.9Mo2N-0.1MoO2层后退火，退火温度为200度
根据图9所示，其J-V测试结果如下，效率可达12.327%，开路电压为770mV，填充因子为0.689，短路电流23.32mA/cm2。
Claims (19)
1.一种碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构，所述背接触结构位于碲化镉吸收层和背电极层之间，其特征在于：所述背接触结构为氮化钼和氧化钼的混合物层，结构为(1-A)氮化钼-A氧化钼， 0<A<1。
2.根据权利要求1所述的一种碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构，其特征在于：所述氮化钼的结构包含MoN0.46、MoN0.506、MoN、Mo0.82N、Mo0.93N、Mo0.98N、Mo2N、Mo2N0.92、Mo3N2或Mo5N6。
3.根据权利要求1所述的一种碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构，其特征在于：所述氧化钼的结构为MoO2或MoO3。
4.根据权利要求1所述的一种碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构，其特征在于：所述氮化钼和氧化钼的混合物层厚度为30nm—300nm。
5.根据权利要求1所述的一种碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构，其特征在于：所述背接触结构还包括Cu层，在所述碲化镉吸收层上依次形成Cu层、 氮化钼和氧化钼的混合物层。
6.根据权利要求5所述的一种碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构，其特征在于：所述Cu层厚度为2-20nm。
7.一种碲化镉薄膜太阳电池，其特征在于：包括上述权利要求1至6的任意一项所述的一种碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构。
8.一种碲化镉薄膜太阳电池组件，其特征在于：包括上述权利要求成7的一种碲化镉薄膜太阳电池。
9.制备权利要求1所述碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构的方法，其特征在于：所述氮化钼和氧化钼的混合物层通过反应溅射的方法进行沉积。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所用溅射的方法，使用Ar、N2、O2混合溅射气体，溅射气压为1.0pa—4pa，使用Mo金属为靶材，衬底温度为室温至400度，以110mm直径圆靶，溅射功率为100w-300w。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述Ar、N2、O2三种气体的体积比为：85～99：1～14：1～14。
12.制备权利要求1所述碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构的方法，其特征在于：所述氮化钼和氧化钼的混合物层通过电子束热蒸发的方法沉积，在蒸发过程中通入N2、O2混合气体，使用Mo金属作为蒸发源。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述N2、O2气体为任意比例。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：蒸发源温度2500度—3000度，气压范围10-2Pa—10Pa。
15.根据权利要求9、10、11、12、13或14所述的方法，其特征在于：在沉积氮化钼和氧化钼的混合物层后进行退火处理，退火温度为100度-300度，退火时间为10-90分钟。
16.制备权利要求5所述碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构的方法，其特征在于：在所述碲化镉吸收层表面沉积Cu层，在Cu层表面沉积氮化钼和氧化钼的混合物层。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：在沉积氮化钼和氧化钼的混合物层后，还要进行退火处理，退火温度为 150度-250度，退火时间为10-90分钟。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述Cu层的制备方法为电子束热蒸发、磁控溅射或Cu盐扩散法。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述沉积氮化钼和氧化钼的混合物层的方法与上述权利要求9和12相同。
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| CN201310582687.XA CN103762250A (zh) | 2013-11-20 | 2013-11-20 | 碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构、太阳电池、电池组件及制备方法 |
Publications (1)
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| CN103762250A true CN103762250A (zh) | 2014-04-30 |
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| CN201310582687.XA Pending CN103762250A (zh) | 2013-11-20 | 2013-11-20 | 碲化镉薄膜太阳电池的背接触结构、太阳电池、电池组件及制备方法 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104362194A (zh) * | 2014-12-08 | 2015-02-18 | 中国科学技术大学 | 背接触层结构及包含其的CdTe太阳能电池 |
| CN106784046A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-05-31 | 成都中建材光电材料有限公司 | 一种背接触结构、制备方法及碲化镉薄膜太阳电池 |
| CN109560144A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-04-02 | 深圳先进技术研究院 | 一种cigs薄膜太阳能电池及其制备方法 |
| CN109768096A (zh) * | 2019-02-18 | 2019-05-17 | 南昌大学 | 一种碲化镉太阳电池背接触结构 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110247687A1 (en) * | 2010-04-08 | 2011-10-13 | Minglong Zhang | Thin film solar cell and method for making the same |
| CN102779860A (zh) * | 2012-07-11 | 2012-11-14 | 中国科学技术大学 | 背接触层结构及其制备方法、包括其的CdTe薄膜太阳能电池 |
| CN103187457A (zh) * | 2011-12-27 | 2013-07-03 | 无锡尚德太阳能电力有限公司 | 碲化镉薄膜太阳电池、电池组件及其制备方法 |
-
2013
- 2013-11-20 CN CN201310582687.XA patent/CN103762250A/zh active Pending
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