CN107742650A - 一种具有绒面背接触层的碲化镉太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有绒面背接触层的碲化镉太阳能电池及其制备方法，所述太阳能电池由下至上依次包括衬底层、背电极层、背接触层、光吸收层，所述背接触层的材料为铜硒钼的化合物(MoSe2：Cu)，所述背电极层的材料为金属钼，所述光吸收层为碲化镉薄膜。该电池使用MoSe2：Cu作为背接触层的材料，与光吸收层形成良好的欧姆接触同时，Se通过扩散到光吸收层，可以调节带隙，而且通过酸刻蚀实现绒面反射未吸收太阳光的效果，使得光吸收层充分的利用太阳光，增加电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及碲化镉薄膜太阳能电池技术领域，具体涉及一种具有绒面背接触层的碲化镉太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着传统能源的日渐匮乏，新能源的开发与利用成为了解决能源危机的重要手段。在众多新能源中，包括太阳能、海洋能、地热能、潮汐能、生物质能等，太阳能以其洁净无污染，储量丰富等优势，成为了新能源的领头军。经过多年的发展，第二代化合物薄膜电池已得到很多研究机构和公司的关注，部分已实现产业化。CdTe电池作为化合物薄膜太阳能电池的一个分支，具备很大的研究价值与商业价值，受到行业内的广泛关注。
CdTe禁带宽度约1.45eV，是一种很重要的薄膜材料，其禁带宽度非常接近光伏材料的理想禁带宽度，具有很高的光吸收系数。研究发现，几微米厚的CdTe薄膜便可吸收90％以上的太阳光，其理论转换效率高达29％左右，是非常有潜力的光伏材料。传统上，CdTe薄膜电池主要由导电衬底、CdS窗口层、CdTe吸收层以及金属背电极层四部分组成。为了提高电池效率，研究工作者对电池的结构进行了改进。
由于p型CdTe具有较高的功函数，很难使其与金属背电极之间形成稳定的欧姆接触。为了解决这个问题，需要对CdTe层表面进行处理，同时在P型CdTe层与背电极之间加入一层背接触层。目前使用最多的表面化学处理有BM腐蚀和NP腐蚀，背接触层材料采用最多的是ZnTe/ZnTe:Cu复合背接触层，这种复合背接触层制备工艺负载，控制困难，工艺步骤繁杂。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种具有绒面背接触层的碲化镉太阳能电池及其制备方法，该电池使用MoSe2：Cu作为背接触层的材料，与光吸收层形成良好的欧姆接触同时，Se通过扩散到光吸收层，可以调节带隙，而且通过酸刻蚀实现绒面反射未吸收太阳光的效果，使得光吸收层充分的利用太阳光，增加电池的光电转换效率。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种具有绒面背接触层的碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池由下至上依次包括衬底层、背电极层、背接触层、光吸收层，所述背接触层的材料为铜硒钼的化合物(MoSe2：Cu)，所述背电极层的材料为金属钼，所述光吸收层为碲化镉薄膜。
优选的，所述背电极层的厚度为20～100nm，所述背接触层的厚度为10～30nm，所述光吸收层的厚度为400～800nm。
更优选的，所述背电极层的厚度为50～100nm，所述背接触层的厚度为20～30nm，所述光吸收层的厚度为500～800nm。
本发明还提供一种具有绒面背接触层的碲化镉太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)提供一衬底层，在所述衬底层上沉积背电极层；(2)在所述背电极层上沉积背接触层，所述背接触层的材料为铜硒钼的化合物(MoSe2：Cu)；(3)使用酸溶液对所述背接触层进行刻蚀，形成具有绒面结构的背接触层；(4)在所述背接触层上沉积碲化镉光吸收层。
优选的，所述背电极层的沉积方法为磁控溅射法，所述背电极层的材料为钼。
优选的，所述背接触层的沉积方法为磁控溅射法或蒸发镀膜法，所述光吸收层的沉积方法为近空间升华法。
优选的，所述步骤(3)中的酸溶液选自硝酸、盐酸、硫酸中的一种或几种。
优选的，所述步骤(3)中背接触层刻蚀前的厚度为30～50nm，刻蚀后的具有绒面结构的背电极层的厚度为10～30nm。
更优选的，所述步骤(3)中背接触层刻蚀前的厚度为40～50nm，刻蚀后的具有绒面结构的背电极层的厚度为20～30nm。
优选的，所述步骤(3)中刻蚀时间为20～70s。
更优选的，所述步骤(3)中刻蚀时间为30～60s。
本申请与现有技术相比，其详细说明如下：
本发明采用铜硒钼的化合物(MoSe2：Cu)作为背接触层的材料，该材料可以与碲化镉光吸收层形成良好的欧姆接触，降低界面损失，提高界面电流的收集与传递能力，同时Se可以通过扩散到光吸收层，调节带隙。此外，背接触层通过酸的刻蚀形成绒面结构，该结构可以反射未吸收的太阳光，使得光吸收层能够充分的利用太阳光的能量，增加电池的光电转换效率。MoSe2：Cu与吸收层有着很相近的功函数，很容易形成欧姆接触，形成良好的导电通道，当MoSe2：Cu中的Se扩散到吸收层中时，可以使得吸收层的带隙形成深V型的带隙结构，增加了带隙宽度，从而提高了开路电压(VOC)，进而提高了电池的转换效率。
附图说明
图1为本发明提供的具有绒面背接触层的碲化镉薄膜太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种具有绒面背接触层的碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池由下至上依次包括衬底层、背电极层、背接触层、光吸收层，所述背接触层的材料为铜硒钼的化合物(MoSe2：Cu)，所述背电极层的材料为金属钼，所述光吸收层为碲化镉薄膜，其中，背电极层的厚度为20～100nm，背接触层的厚度为10～30nm，光吸收层的厚度为400～800nm。
其制备方法包括以下步骤：(1)提供一衬底层，在所述衬底层上沉积背电极层；(2)在所述背电极层上沉积背接触层，所述背接触层的材料为铜硒钼的化合物(MoSe2：Cu)；(3)使用酸溶液对所述背接触层进行刻蚀，形成具有绒面结构的背接触层；(4)在所述背接触层上沉积碲化镉光吸收层。
下面通过具体实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种具有绒面背接触层的碲化镉薄膜太阳能电池，依次设置有二氧化硅衬底层、Mo背电极层、MoSe2：Cu背接触层、CdTe光吸收层，其中衬底层的厚度为50nm，背电极层的厚度为20nm，背接触层的厚度为10nm，光吸收层的厚度为400nm。
上述碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
(1)以二氧化硅为衬底材料，导电膜的厚度为50nm，将其裁剪为2.5cm×4cm大小，采用超声波清洗法，先后用无水乙醇溶液、丙酮溶液、蒸馏水进行清洗，60℃条件下烘干后保存备用。
(2)在衬底层上采用磁控溅射法沉积钼背电极层，厚度为20nm。
(3)在背电极层上采用磁控溅射法或蒸发镀膜法制备MoSe2：Cu背接触层，厚度为30nm，然后用硝酸溶液对背电极层进行刻蚀，形成具有绒面结构的背电极层，此时厚度为10nm，刻蚀时间为20s。
(4)在背电极层上采用近空间升华法沉积碲化镉光吸收层，厚度为400nm。
实施例2
如图1所示，一种具有绒面背接触层的碲化镉薄膜太阳能电池，依次设置有二氧化硅底层、Mo背电极层、MoSe2：Cu背接触层、CdTe光吸收层，其中衬底层的厚度为100nm，背电极层的厚度为50nm，背接触层的厚度为20nm，光吸收层的厚度为500nm。
上述碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
(1)以二氧化硅为衬底材料，导电膜的厚度为100nm，将其裁剪为2.5cm×4cm大小，采用超声波清洗法，先后用无水乙醇溶液、丙酮溶液、蒸馏水进行清洗，60℃条件下烘干后保存备用。
(2)在衬底层上采用磁控溅射法沉积钼背电极层，厚度为50nm。
(3)在背电极层上采用磁控溅射法或蒸发镀膜法制备MoSe2：Cu背接触层，厚度为40nm，然后用硝酸溶液对背电极层进行刻蚀，形成具有绒面结构的背电极层，此时厚度为20nm，刻蚀时间为30s。
(4)在背电极层上采用近空间升华法沉积碲化镉光吸收层，厚度为500nm。
实施例3
如图1所示，一种具有绒面背接触层的碲化镉薄膜太阳能电池，依次设置有衬底层、Mo背电极层、MoSe2：Cu背接触层、CdTe光吸收层，其中衬底层的厚度为200nm，背电极层的厚度为75nm，背接触层的厚度为30nm，光吸收层的厚度为600nm。
上述碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
(1)以二氧化硅为衬底材料，导电膜的厚度为200nm，将其裁剪为2.5cm×4cm大小，采用超声波清洗法，先后用无水乙醇溶液、丙酮溶液、蒸馏水进行清洗，60℃条件下烘干后保存备用。
(2)在衬底层上采用磁控溅射法沉积钼背电极层，厚度为75nm。
(3)在背电极层上采用磁控溅射法或蒸发镀膜法制备MoSe2：Cu背接触层，厚度为50nm，然后用硝酸溶液对背电极层进行刻蚀，形成具有绒面结构的背电极层，此时厚度为30nm，刻蚀时间为60s。
(4)在背电极层上采用近空间升华法沉积碲化镉光吸收层，厚度为600nm。
实施例4
如图1所示，一种具有绒面背接触层的碲化镉薄膜太阳能电池，依次设置有衬底层、Mo背电极层、MoSe2：Cu背接触层、CdTe光吸收层，其中衬底层的厚度为250nm，背电极层的厚度为100nm，背接触层的厚度为30nm，光吸收层的厚度为800nm。
上述碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
(1)以二氧化硅为衬底材料，导电膜的厚度为250nm，将其裁剪为2.5cm×4cm大小，采用超声波清洗法，先后用无水乙醇溶液、丙酮溶液、蒸馏水进行清洗，60℃条件下烘干后保存备用。
(2)在衬底层上采用磁控溅射法沉积钼背电极层，厚度为100nm。
(3)在背电极层上采用磁控溅射法或蒸发镀膜法制备MoSe2：Cu背接触层，厚度为50nm，然后用硝酸溶液对背电极层进行刻蚀，形成具有绒面结构的背电极层，此时厚度为30nm，刻蚀时间为70s。
(4)在背电极层上采用近空间升华法沉积碲化镉光吸收层，厚度为800nm。
实施例5
背接触层材料对碲化镉薄膜电池的性能影响
1、实验样品：碲化镉薄膜电池样品1、样品2、样品3、样品4，样品1无背接触层，样品2为普通背接触层，样品3为ZnTe/ZnTe:Cu背接触层，样品4为MoSe2:Cu，四个样品除背接触层材料不同外其他制备方法及参数均相同；
2、实验方法：采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表1。
表1背接触层材料对碲化镉薄膜电池的性能影响
其中，Eff为充放电效率，Voc为开路电压，Jsc为短路电流，FF为填充因子。
由表1可以看出，采用MoSe2:Cu作为背接触层的电池的充放电效率，开路电压，电流密度和填充因子与其他几种电池相比都有明显的提高。
实施例6
绒面背电极的厚度对碲化镉薄膜电池的性能影响
1、实验样品：碲化镉薄膜电池样品1、样品2、样品3、样品4、样品5，五个样品除背接触层厚度不同外其他制备方法及参数均相同；
2、实验方法：采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表2。
表2背接触层厚度对碲化镉薄膜电池的性能影响
由表2可以看出，背接触层厚度为20nm时，该电池的充放电效率，开路电压，短路电流和填充因子均达到最大值，此时电池的光电转化效率最高。
实施例7
绒面背电极的刻蚀时间对碲化镉薄膜电池的性能影响
1、实验样品：碲化镉薄膜电池样品1、样品2、样品3、样品4、样品5、样品6，六个样品除背接触层刻蚀时间不同外其他制备方法及参数均相同；
2、实验方法：采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表3。
表3背接触层刻蚀时间对碲化镉薄膜电池的性能影响
| 刻蚀时间(s) | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 样品1-20 | 10.12 | 0.799 | 20.41 | 62.08 |
| 样品2-30 | 11.19 | 0.739 | 23.74 | 63.74 |
| 样品3-40 | 12.09 | 0.808 | 23.81 | 62.81 |
| 样品4-50 | 10.98 | 0.802 | 21.81 | 62.80 |
| 样品5-60 | 10.91 | 0.776 | 22.78 | 61.78 |
| 样品6-70 | 10.18 | 0.758 | 21.76 | 61.76 |
由表3可以看出，刻蚀时间为40s时，该电池的充放电效率，开路电压，短路电流和填充因子均达到最大值，此时电池的光电转化效率最高。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种具有绒面背接触层的碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池由下至上依次包括衬底层、背电极层、背接触层、光吸收层，所述衬底层的材料二氧化硅，所述背接触层的材料为铜硒钼的化合物(MoSe2：Cu)，所述背电极层的材料为金属钼，所述光吸收层为碲化镉薄膜。
2.根据权利要求1所述的具有绒面背接触层的碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述背电极层的厚度为20～100nm，所述背接触层的厚度为10～30nm，所述光吸收层的厚度为400～800nm。
3.一种具有绒面背接触层的碲化镉太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)提供一衬底层，在所述衬底层上沉积背电极层；(2)在所述背电极层上沉积背接触层，所述背接触层的材料为铜硒钼的化合物(MoSe2：Cu)；(3)使用酸溶液对所述背接触层进行刻蚀，形成具有绒面结构的背接触层；(4)在所述背接触层上沉积碲化镉光吸收层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述背电极层的沉积方法为磁控溅射法，所述背电极层的材料为钼。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述背接触层的沉积方法为磁控溅射法或蒸发镀膜法，所述光吸收层的沉积方法为近空间升华法。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的酸溶液选自硝酸、盐酸、硫酸中的一种或几种。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中背接触层刻蚀前的厚度为30～50nm，刻蚀后的具有绒面结构的背电极层的厚度为10～30nm。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中刻蚀时间为20～70s。
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