CN105576049B - CdTe薄膜太阳电池的背接触结构、其制备方法与CdTe薄膜太阳电池 - Google Patents
CdTe薄膜太阳电池的背接触结构、其制备方法与CdTe薄膜太阳电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种CdTe薄膜太阳电池的背接触结构，包括依次叠加设置的第一过渡金属氧化物薄膜、第二CdTe薄膜、Cu金属薄膜和金属背电极。本申请通过在两层CdTe薄膜之间设置过渡金属氧化物薄膜，以阻挡Cu原子向CdTe层及CdS/CdTe异质结区的扩散，在保证低阻接触的情况下提高了太阳电池的稳定性；本申请还提供了所述CdTe薄膜太阳电池的背接触结构的制备方法以及包括所述CdTe薄膜太阳电池背接触结构的太阳电池。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料，尤其涉及CdTe薄膜太阳电池的背接触结构、其制备方法与CdTe薄膜太阳电池。
背景技术
CdTe是禁带宽度为1.45eV的II-VI族直接带隙半导体材料，其吸收系数高达105cm-1，只需要几微米的厚度，CdTe薄膜就可以将入射太阳光中能量高于其禁带宽度的99％的光子吸收。CdTe薄膜作为太阳电池的光吸收层，所需原料少，成本低，具有很强的市场竞争力。因此，CdTe作为一种具有广泛应用前景的薄膜太阳电池材料受到了广泛的关注。
然而，CdTe作为太阳电池吸收层材料，在制备薄膜太阳电池时，需要克服一些材料本身的限制因素，主要表现在以下几个方面：其一，CdTe具有强烈的自补偿效应，很难通过掺杂调控其载流子浓度，而具有本征缺陷的CdTe载流子浓度较低；第二，P型CdTe的功函数为5.7eV，比大多数金属材料的功函数要高。如果将衬底、导电前电极、CdS窗口层、第一CdTe薄膜与金属背电极依次叠加设置制成CdTe薄膜太阳电池，即将金属材料直接制备在CdTe薄膜表面作为背电极，则CdTe与金属的界面会形成肖特基势垒，阻碍光生载流子的传输，降低器件性能。目前，常用的低阻背接触电极制备的方案中都会使用Cu来降低CdTe与金属背电极间的接触势垒，例如将背接触结构设置为依次叠加的Cu金属薄膜、金属背电极。但是，背接触电极结构中的Cu在CdTe中的扩散系数很大，长期工作条件下，Cu会沿着晶界扩散到CdTe层及CdS/CdTe异质结区，造成电池性能的衰减。因此，如何减少Cu扩散对CdTe薄膜太阳电池的影响成为提高电池稳定性的关键问题。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种背接触结构及其制备方法，本申请提供的背接触结构能够在保证低阻接触的情况下，提高CdTe薄膜太阳电池的稳定性。
有鉴于此，本申请提供了一种CdTe薄膜太阳电池的背接触结构，包括：
第一过渡金属氧化物薄膜；
设置于所述第一过渡金属氧化物薄膜上的第二CdTe薄膜；
设置于所述第二CdTe薄膜上的Cu金属薄膜；
设置于所述Cu金属薄膜上的金属背电极。
优选的，所述第二CdTe薄膜与所述Cu金属薄膜之间还包括：第二过渡金属氧化物薄膜与第三CdTe薄膜；所述第二过渡金属氧化物薄膜设置于所述第二CdTe薄膜上，所述第三CdTe薄膜设置于所述第二过渡金属氧化膜上。
优选的，所述过渡金属氧化物薄膜的厚度为1～20nm。
优选的，所述过渡金属氧化物薄膜为非晶态或多晶态。
本申请还提供了一种CdTe薄膜太阳电池的背接触结构的制备方法，包括：
在CdTe薄膜太阳电池的第一CdTe薄膜上制备第一过渡金属氧化物薄膜；
在所述第一过渡金属氧化物薄膜表面制备第二CdTe薄膜；
将第二CdTe薄膜进行刻蚀后依次沉积Cu金属薄膜和金属背电极，得到CdTe薄膜太阳电池的背接触结构。
优选的，所述第一过渡金属氧化物薄膜的过渡金属氧化物选自MoOx、WOx、VOx、NiOx、CrOx、CoOx或TaOx，其中x为上述氧化物的化学计量比或非化学计量比。
优选的，得到CdTe薄膜太阳电池的背接触结构之后还包括：
将得到的CdTe薄膜太阳电池的背接触结构进行退火处理。
优选的，所述第一过渡金属氧化膜薄膜的制备方法为物理溅射、热蒸发、化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法或喷涂热解法。
本申请还提供了一种CdTe薄膜太阳电池，包括上述方案所述的背接触结构。
优选的，所述CdTe薄膜太阳电池还包括：
衬底；
设置于所述衬底上的导电前电极；
设置于所述导电前电极上的CdS窗口层；
设置于所述CdS窗口层上的第一CdTe薄膜。
本申请提供了一种包括依次叠加设置第一过渡金属氧化物薄膜、第二CdTe薄膜、Cu金属薄膜和金属背电极。本申请通过在两层CdTe薄膜之间设置过渡金属氧化物薄膜，有效阻挡了Cu向CdTe薄膜和CdS/CdTe异质结区的扩散，同时Cu金属薄膜使CdTe与金属背电极间的接触为低阻欧姆接触，从而在保证获得低阻背接触的同时，提高了CdTe薄膜太阳电池的稳定性。另一方面，过渡金属氧化物能带结构和CdTe能带结构有较好的匹配，且氧化物薄膜的厚度控制在1～20纳米，因此，过渡金属氧化物薄膜不会对光生载流子空穴的传输造成影响。
附图说明
图1为本发明CdTe薄膜太阳电池的结构示意图；
图2为本发明CdTe薄膜太阳电池与传统的CdTe薄膜太阳电池对Cu扩散阻挡的原理示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种CdTe薄膜太阳电池的背接触结构，包括：
第一过渡金属氧化物薄膜；
设置于所述第一过渡金属氧化物薄膜上的第二CdTe薄膜；
设置于所述第二CdTe薄膜上的Cu金属薄膜；
设置于所述Cu金属薄膜上的金属背电极。
本申请提供了一种CdTe太阳电池的背接触结构，其通过在两层CdTe薄膜之间设置过渡金属氧化物薄膜，有效阻挡Cu向CdTe层和CdS/CdTe异质结区的扩散，提高了CdTe薄膜太阳电池的稳定性。
本申请过渡金属氧化物薄膜设置于相应的两层CdTe薄膜之间，所述过渡金属氧化物薄膜可以为两层、三层、甚至大于三层，对此本申请没有特别的限制；如所述第二CdTe薄膜与所述Cu金属薄膜之间还包括：第二过渡金属氧化物薄膜与第三CdTe薄膜；所述第二过渡金属氧化物薄膜设置于所述第二CdTe薄膜上，所述第三CdTe薄膜设置于所述第二过渡金属氧化膜上；或者，所述第二CdTe薄膜与所述Cu金属薄膜之间还包括：第二过渡金属氧化物薄膜、第三CdTe薄膜、第三过渡金属氧化物薄膜与第四CdTe薄膜，所述第二过渡金属氧化物薄膜设置于所述第二CdTe薄膜上，所述第三CdTe薄膜设置于所述第二过渡金属氧化物薄膜上，所述第三过渡金属氧化物薄膜设置于所述第三CdTe薄膜上，所述第四CdTe薄膜设置于所述第三过渡金属氧化物薄膜上。
所述第一过渡金属氧化物薄膜的厚度优选为1～20nm，更优选为3～10nm；所述第一过渡金属氧化物薄膜的厚度过大，则增加电池的串联电阻，降低电池的填充因子，从而降低电池的效率，厚度过小又不能有效地阻止Cu的扩散。本申请所述第一过渡金属氧化物薄膜优选为非晶态或多晶态。所述第二CdTe薄膜的厚度优选为0.5～1微米。本申请选择过渡金属氧化物薄膜作为Cu的扩散阻挡层，是由于过渡金属氧化物具有较高的功函数，其与CdTe有较好的功函数匹配，与CdTe接触时不会形成肖特基势垒阻挡光生载流子的输运。其他材料很难具备这样高的功函数，如金属金的功函数为5.4eV，而过渡金属氧化物V2O5功函数可以达到7.0eV。
按照本发明，所述Cu金属层的厚度优选为0.3～10nm，在实施例中，所述Cu金属层的厚度更优选为2～5nm。所述金属背电极的金属材料优选为功函数稳定的纯金属或金属合金材料，更优选为金或镍。
本申请提供的CdTe薄膜太阳电池通过在背接触结构中设置第一过渡金属氧化物薄膜，有效阻挡了Cu金属薄膜中铜向CdTe层和CdS/CdTe异质结区的扩散，如图2所示。图2为本发明CdTe薄膜太阳电池(左图)与传统的CdTe薄膜太阳电池(右图)对Cu扩散阻挡的原理示意图，图2中的○代表铜原子，根据图2中两个图的对比，可以清楚看出设置于两层CdTe薄膜之间的过渡金属氧化物薄膜能够有效阻挡铜原子扩散的原理。
本申请还提供了所述CdTe薄膜太阳电池的背接触结构的制备方法，包括：
在CdTe薄膜太阳电池的第一CdTe薄膜上制备第一过渡金属氧化物薄膜；
在所述第一过渡金属氧化物薄膜表面制备第二CdTe薄膜；
将第二CdTe薄膜进行刻蚀后依次沉积Cu金属薄膜和金属背电极，得到CdTe薄膜太阳电池的背接触结构。
在制备背接触结构的过程中，首先在第一CdTe薄膜上制备第一过渡金属氧化物薄膜；所述第一过渡金属氧化物薄膜的制备方法为物理溅射、热蒸发、化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法或喷涂热解法；在实施例中，所述第一过渡金属氧化物薄膜的制备方法优选为磁控直流反应溅射或射频溅射。上述所述第一过渡金属氧化物薄膜的制备方法为本领域技术人员熟知的制备方法，本申请不进行特别的限制。
本申请所述第一过渡金属氧化物薄膜的过渡金属氧化物优选选自MoOx、WOx、VOx、NiOx、CrOx、CoOx或TaOx，其中x为上述氧化物的化学计量比或非化学计量比；在实施例中，所述过渡金属氧化物更优选为V2O5或MoO3。本申请所述第一过渡金属氧化物薄膜的厚度优选为1～20nm。
本申请再在所述第一过渡金属氧化物金属薄膜上制备第二CdTe薄膜；所述第二CdTe薄膜的制备方法优选为近空间升华法、物理溅射法或气相运输沉积法，上述方法为本领域技术人员熟知，本申请对此不进行特别的限制。
按照本发明，在所述过渡金属氧化物薄膜为多层时，按照上述过程依次制备第二过渡金属氧化物薄膜、第三CdTe薄膜、第三过渡金属氧化物薄膜与第四CdTe薄膜等薄膜即可。
按照本发明，在沉积Cu金属薄膜之前将最后一层CdTe薄膜进行刻蚀，所述刻蚀处理为物理刻蚀或化学刻蚀。
作为优选方案，本申请在得到CdTe薄膜太阳电池的背接触结构之后还包括：
将得到的CdTe薄膜太阳电池的背接触结构进行退火处理。
所述退火处理优选在真空或惰性气氛中进行；所述退火处理的温度优选为150～250℃，所述退火处理的时间优选为20～50min。
本申请所述退火处理能够使背电极中的Cu与CdTe表面反应，形成利于CdTe欧姆接触的碲化物退化半导体CuxTe层，使CdTe与金属背电极形成良好的欧姆接触；退火完成后，Cu金属层不会单独存在，其一部分与表面CdTe反应生成CuxTe，另一部分向CdTe中扩散；当Cu扩散到过渡金属氧化物层时，受到其阻挡，很难继续向CdTe中扩散，从而提高了电池的稳定性。
本申请还提供了一种CdTe薄膜太阳电池，其包括上述方案所述的背接触结构。
作为优选方案，所述CdTe薄膜太阳电池的结构如图1所示，其包括：
衬底；
设置于所述衬底上的透明导电前电极；
设置于所述透明导电前电极上的CdS窗口层；
设置于所述CdS窗口层上的第一CdTe薄膜；
设置于所述第一CdTe薄膜上的第一过渡金属氧化物薄膜；
设置于第一所述过渡金属氧化物薄膜上的第二CdTe薄膜；
设置于所述第二CdTe薄膜上的Cu金属层；
设置于所述Cu金属层上的金属背电极。
在上述CdTe薄膜太阳电池中，所述衬底优选为玻璃，所述导电前电极优选为透明导电膜(TCO)。
本发明通过在CdTe薄膜太阳电池的背接触结构中，在两层CdTe薄膜之间设置过渡金属氧化物，有效阻挡了Cu向CdTe层和CdS/CdTe异质结区的扩散，同时Cu的使用能够使CdTe与金属背电极间的接触为低阻欧姆接触，从而在保证获得低阻背接触的同时，提高CdTe薄膜太阳电池的稳定性；同时，CdTe薄膜内部嵌入的过渡金属氧化物薄膜，由于过渡金属氧化物能带结构和CdTe能带结构有较好的匹配，且氧化物薄膜的厚度控制在1～20nm，因此，过渡金属氧化物层不会对光生载流子空穴的传输形成影响。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的CdTe薄膜太阳电池进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
以下实施例中采用的样品均为玻璃/透明导电膜/硫化镉；其中硫化镉经过CdCl2气氛下的热处理，并用去离子水冲洗干净，用N2吹干制得。
实施例1
(1)沉积CdTe薄膜
将玻璃/透明导电膜/硫化镉样品固定在衬底上，使样品表面距CdTe源约3mm，将样品送入近空间升华腔体内，抽真空至10-3Pa，充入O2与Ar的混合气体，使腔体内总气体压强为1～5KPa，O2与Ar的气体分压比为1:8；加热源和样品的温度分别达到690℃和590℃，生长2～3分钟，得到的CdTe薄膜厚度为2～5微米。
(2)沉积V2O5薄膜
将沉积完CdTe薄膜的样品放入磁控溅射仪器的真空室内，利用纯度为4N的钒(V)金属靶材进行直流反应溅射制备V2O5薄膜：将真空室先抽真空至5×10-3Pa，然后向其中通入Ar并调节起辉，之后控制Ar和O2气体流速，使反应室内O2与Ar的气体分压比为2:3，总压强为0.2～0.5Pa；预溅射10分钟后打开遮挡样品的挡板，溅射生长2分钟，制备的V2O5薄膜厚度约为10nm。
(3)沉积CdTe薄膜
按照步骤(1)的方法，在经步骤(2)制备的玻璃/透明导电膜/硫化镉/碲化镉/V2O5的结构上，再沉积一层CdTe薄膜，CdTe薄膜的厚度为0.5微米。
(4)CdTe薄膜表面的化学刻蚀
将步骤(3)得到的样品放入磷酸硝酸溶液(硝酸、磷酸、水的体积比为1:70:29)刻蚀5～50秒，然后用去离子水冲洗干净，并用N2吹干。
(5)沉积Cu金属薄膜
将刻蚀完成后的样品放入真空室中，抽真空至5×10- 3Pa，使用热蒸发法在CdTe薄膜表面上沉积2～5纳米厚的Cu金属薄膜。
(6)沉积Au背电极
将沉积过Cu金属薄膜的样品放入真空室中，抽真空至5×10-3Pa，使用热蒸发法在样品表面沉积Au薄膜作为背电极，然后在200℃退火25min，得到CdTe薄膜太阳电池。
实施例2
(1)沉积CdTe薄膜
将玻璃/透明导电膜/硫化镉样品放入真空室内，抽真空至5×10-3Pa，利用4N纯度的CdTe靶材进行射频溅射制备CdTe薄膜，得到的CdTe薄膜厚度为2～5微米。
(2)沉积MoO3薄膜
将沉积完CdTe薄膜的样品放入真空室内，利用4N纯度的MoO3靶材进行射频溅射制备MoO3薄膜：将真空室抽真空至5×10-3Pa，通入Ar调节至起辉，然后通入O2和Ar的混合气体，混合气体中氧分压为5％～10％，真空室总气体压强为0.2～0.5Pa；先预溅射10分钟，然后打开遮挡样品的挡板，生长1～2分钟，得到厚度约为10nm的MoO3薄膜。
(3)沉积CdTe薄膜
将沉积完MoO3薄膜的样品放入真空室，抽真空至5×10-3Pa，利用4N纯度的CdTe靶材进行射频溅射制备CdTe薄膜，得到的CdTe薄膜厚度为0.5微米。
(4)CdTe薄膜表面的化学刻蚀
将步骤(3)得到的样品放入溴甲醇溶液(溴与甲醇的体积比为1:1000)刻蚀5～50秒，然后用去离子水冲洗干净，并用N2吹干。
(5)沉积Cu金属薄膜
将刻蚀完成后的样品放入真空室中，抽真空至5×10-3Pa，使用电子束蒸发法在CdTe薄膜表面上沉积2～5纳米厚的Cu金属薄膜。
(6)沉积Ni背电极
将沉积完Cu金属薄膜的样品放入真空室中，抽真空至5×10-3Pa，使用热蒸发法在样品表面沉积Ni薄膜作为背电极，然后在200℃条件下退火处理25分钟，得到CdTe薄膜太阳电池。
以上实施例按照加入一层过渡金属氧化物薄膜为例进行了说明，也可以制备两层过渡金属氧化物薄膜或三层过渡金属氧化物薄膜，制备过程与实施例中制备过渡金属氧化物薄膜与CdTe薄膜的方法相同。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种CdTe薄膜太阳电池的背接触结构，包括：
第一过渡金属氧化物薄膜；
设置于所述第一过渡金属氧化物薄膜上的第二CdTe薄膜；
设置于所述第二CdTe薄膜上的Cu金属薄膜；
设置于所述Cu金属薄膜上的金属背电极；
所述第一过渡金属氧化物薄膜位于第一CdTe薄膜上。
2.根据权利要求1所述的背接触结构，其特征在于，所述第二CdTe薄膜与所述Cu金属薄膜之间还包括：第二过渡金属氧化物薄膜与第三CdTe薄膜；所述第二过渡金属氧化物薄膜设置于所述第二CdTe薄膜上，所述第三CdTe薄膜设置于所述第二过渡金属氧化膜上。
3.根据权利要求1所述的背接触结构，其特征在于，所述过渡金属氧化物薄膜的厚度为1～20nm。
4.根据权利要求1所述的背接触结构，其特征在于，所述过渡金属氧化物薄膜为非晶态或多晶态。
5.一种CdTe薄膜太阳电池的背接触结构的制备方法，包括：
在CdTe薄膜太阳电池的第一CdTe薄膜上制备第一过渡金属氧化物薄膜；
在所述第一过渡金属氧化物薄膜表面制备第二CdTe薄膜；
将第二CdTe薄膜进行刻蚀后依次沉积Cu金属薄膜和金属背电极，得到CdTe薄膜太阳电池的背接触结构。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一过渡金属氧化物薄膜的过渡金属氧化物选自MoOx、WOx、VOx、NiOx、CrOx、CoOx或TaOx，其中x为上述氧化物的化学计量比或非化学计量比。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，得到CdTe薄膜太阳电池的背接触结构之后还包括：
将得到的CdTe薄膜太阳电池的背接触结构进行退火处理。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一过渡金属氧化膜薄膜的制备方法为物理溅射、热蒸发、化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法或喷涂热解法。
9.一种CdTe薄膜太阳电池，包括权利要求1～4任一项所述的背接触结构。
10.根据权利要求9所述的CdTe薄膜太阳电池，其特征在于，所述CdTe薄膜太阳电池还包括：
衬底；
设置于所述衬底上的导电前电极；
设置于所述导电前电极上的CdS窗口层；
设置于所述CdS窗口层上的第一CdTe薄膜。
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