CN107768453A - 一种具有复合背电极的碲化镉薄膜电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有复合背电极的碲化镉薄膜太阳能电池及其制备方法，所述太阳能电池依次设置有衬底层、窗口层、吸收层、背接触层、复合背电极层，所述窗口层的材料为硫化镉，所述吸收层的材料为碲化镉，所述背接触层的材料为掺铜碲化锌，所述复合背电极层为钼层和镍钒层形成的复合背电极层。该电池采用钼和镍钒复合背电极结构，可以提高电池内部薄膜界面的结合，降低界面损失，提高界面电流的收集与传递能力，进而达到提高电池光电性能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池领域，具体涉及一种具有复合背电极的碲化镉薄膜电池及其制备方法。
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。
现有的太阳能薄膜电池中，电池的背电极一般采用单一金属电极，如Au，Ag，Mo，Pt，Cu，Ni等，该种电极不是原材料成本高，就是制备成本高，或者与薄膜电池的结合不好，导致电流收集能力下降，进而影响电池的最终性能。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种具有复合背电极的碲化镉薄膜电池及其制备方法，该电池采用钼和镍钒复合背电极结构，可以提高电池内部薄膜界面的结合，降低界面损失，提高界面电流的收集与传递能力，进而达到提高电池光电性能的目的。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种具有复合背电极的碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池依次设置有衬底层、窗口层、吸收层、背接触层、复合背电极层，所述窗口层的材料为硫化镉，所述吸收层的材料为碲化镉，所述背接触层的材料为掺铜碲化锌，所述复合背电极层为钼层和镍钒层形成的复合背电极层。
优选的，所述衬底层的厚度为50～250nm，所述窗口层的厚度为100～250nm，所述吸收层的厚度为2.5～4μm，所述背接触层的厚度为20～80nm，所述复合背电极层的厚度为200～600nm。
更优选的，所述复合背电极层的厚度为250～500nm。
本发明还提供一种具有复合背电极的碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括依次设置的以下步骤：(1)以FTO导电玻璃为衬底层，在所述衬底层上沉积硫化镉窗口层；(2)在所述硫化镉窗口层上沉积碲化镉吸收层；(3)活化处理然后进行退火处理；(4)在所述碲化镉吸收层上沉积掺铜碲化镉背接触层，然后进行热处理；(5)在所述掺铜碲化镉背接触层上沉积钼/镍钒复合背电极层。
本发明中衬底层选用掺氟氧化锡导电玻璃，衬底层的尺寸可根据实际需求作调整，采用无水乙醇、丙酮等试剂对衬底材料进行，并配以蒸馏水清洗，以去除玻璃表面的杂质与油渍或污垢，玻璃清洗干净后进行在60-100℃温度下烘干，直接用于后段镀膜工艺操作或保存在无尘空间以备用。
优选的，所述硫化镉窗口层与所述碲化镉吸收层采用近空间升华法制备。
优选的，所述近空间升华法具体为以硫化镉原材料为蒸发源，蒸发源与衬底层放置于容器内，分别对衬底层和蒸发源进行加热，使硫化镉升华并分解，然后沉积在较低温度衬底层上时再化合形成硫化镉薄膜。在本发明中，蒸发源与衬底间的距离为2-4mm，蒸发源温度为500-600℃，衬底温度为450-500℃，反应时间为10-30s，最终获得的薄膜厚度为100-250nm，薄膜致密且均匀。
制备碲化镉吸收层时，为确保薄膜的均匀性，本发明中采用两段式镀膜工艺：第一段蒸发源温度550-600℃，衬底温度460-480℃，镀膜时间1-2min；第二段蒸发源温度600-650℃，衬底温度480-550℃，镀膜时间1-3min，碲化镉吸收层薄膜厚度为2.5-4μm。
优选的，所述步骤(3)中活化处理具体为采用浓度为0.1-0.3mol/L的CdCl2甲醇溶液对硫化镉窗口层和碲化镉光吸收层进行活化处理，采用滚轴涂覆法，确保薄膜表面均负载CdCl2。
更优选的，所述CdCl2甲醇溶液的浓度为0.1-0.25mol/L。
优选的，所述步骤(3)中退火温度为300～500℃，退火时间为10～30分钟。
更优选的，所述步骤(3)中退火温度为380～450℃
此处进行退火处理是为了提高硫化镉与碲化镉薄膜的均匀性与再结晶性，达到P型增强的效果。
优选的，所述掺铜碲化锌背接触层采用蒸发法制备，所述掺铜碲化锌薄膜由铜和碲化锌共同蒸发得到，所述碲化锌与所述铜的原子数比例为11～15:1。
更优选的，所述碲化锌与所述铜的原子数比例为12～14:1
优选的，所述铜的蒸发速率为0.5～3nm/s，所述碲化镉的蒸发速率为0.01～0.1nm/s，蒸发时间为10～60s。
优选的，所述步骤(4)中热处理的温度为200～300℃，保温时间2～8分钟。
此处进行热处理是为了增强吸收层与背接触层的欧姆接触，降低界面电阻与界面损失。
优选的，所述步骤(5)中复合背电极层采用磁控溅射法制备，具体为先在背接触层上在功率为(35-50)W/cm条件下制备钼种子层，厚度为30～50nm，然后在功率为(50-75)W/cm下将钼层厚度增加至100～300nm，最后功率为(75-100)W/cm条件下制备镍钒层厚度为100～300nm。
在本发明中，可根据实际需求，对电池样品进行激光刻线，进而实现电池串联，最后经过封装工艺完成碲化镉薄膜电池的制备。
本申请与现有技术相比，其详细说明如下：
本发明将采用复合背电极结构，Mo/NiV复合背电极的制备采用“层层递进”的方式，采用磁控溅射法先后制备Mo层和NiV层薄膜，以形成复合背电极结构。以Mo电极与背接触层形成好的欧姆接触，以NiV超导材料作为主要电极材料，形成复合电极结构。因为NiV材料本身的性质，具有很好的溅射性能，能制备出性能较好的导电薄膜，采用Mo/NiV复合背电极代替单一金属电极，以此来增强背电极对光生电流的收集与传递，以此来提高电池的转换效率。本发明中还用掺铜碲化镉(ZnTe:Cu)背接触层来与碲化镉(CdTe)吸收层形成良好的欧姆接触，降低界面损失。
综上所述，本发明提供的碲化镉薄膜太阳能电池可以提高电池内部薄膜界面的结合，降低界面损失，提高界面电流的收集与传递能力，进而达到提高电池光电性能的目的。
附图说明
图1为本发明的一种具有复合背电极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复合背电极的碲化镉薄膜太阳能电池，所述太阳能电池依次设置有衬底层、窗口层、吸收层、背接触层、复合背电极层，所述窗口层的材料为硫化镉，所述吸收层的材料为碲化镉，所述背接触层的材料为掺铜碲化锌，所述复合背电极层为钼层和镍钒层形成的复合背电极层。
其中，所述衬底层的厚度为50～250nm，所述窗口层的厚度为100～250nm，所述吸收层的厚度为2.5～4μm，所述背接触层的厚度为20～80nm，所述复合背电极层的厚度为200～600nm。
其制备方法包括以下步骤：一种具有复合背电极的碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括依次设置的以下步骤：(1)以FTO导电玻璃为衬底层，在所述衬底层上沉积硫化镉窗口层；(2)在所述硫化镉窗口层上沉积碲化镉吸收层；(3)活化处理然后进行退火处理；(4)在所述碲化镉吸收层上沉积掺铜碲化镉背接触层，然后进行热处理；(5)在所述掺铜碲化镉背接触层上沉积钼/镍钒复合背电极层。
下面通过具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种具有复合背电极的碲化镉薄膜太阳能电池，依次设置有FTO导电玻璃衬底层、硫化镉窗口层、碲化镉吸收层、掺铜碲化锌吸收层、钼/镍钒复合背电极层。其中，衬底层的厚度为50nm，窗口层的厚度为100nm，吸收层的厚度为2.5μm，背接触层的厚度为20nm，复合背电极层的厚度为200nm。
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FTO导电玻璃为衬底材料，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)在衬底层上采用近空间升华法制备硫化镉窗口层，蒸发源与衬底间的距离为2mm，蒸发源温度为500℃，衬底温度为450℃，镀膜时间为10s，最终获得的薄膜厚度为100nm，薄膜致密且均匀。
(3)在硫化镉窗口层上采用近空间升华法制备碲化镉窗口层，为了确保薄膜的均匀性，采用两段式镀膜工艺：第一段蒸发源温度550℃，衬底温度460℃，镀膜时间1min；第二段蒸发源温度600℃，衬底温度480℃，镀膜时间1min，薄膜厚度2.5μm。
(4)采用浓度为0.1-mol/L CdCl2甲醇溶液进行CdS/CdTe层的活化处理，采用滚轴涂覆法，以来回涂覆方式，确保薄膜表面均负载CdCl2；
(5)进行退火处理，退火温度为300℃，时间为10min。
(6)采用共蒸发技术进行ZnTe:Cu背接触层的制备，ZnTe与Cu二者间的原子数比约为11:1，二者分开存放于不同的加热容器中，同时蒸发，蒸发速率分别控制在0.5nm/s，0.01nm/s；使得Cu均匀的掺杂到整个ZnTe薄膜中；共蒸发制膜时间10s，得到的薄膜厚度约20nm，然后对整个样品进行热处理，处理温度200℃，保温时间2min。
(7)采用磁控溅射法来进行Mo/NiV复合背电极层的制备。首先进行Mo层的制备，在35W/cm功率下制备Mo种子层，厚度30nm；再在50W/cm功率下将Mo层厚度增加至100nm；最后在75W/cm功率下直接进行NiV薄膜层的制备，NiV薄膜的厚度约100nm。
(8)对电池样品进行激光刻线，进而实现电池串联，最后经过封装工艺完成碲化镉薄膜电池的制备。
实施例2
如图1所示，一种具有复合背电极的碲化镉薄膜太阳能电池，依次设置有FTO导电玻璃衬底层、硫化镉窗口层、碲化镉吸收层、掺铜碲化锌吸收层、钼/镍钒复合背电极层。其中，衬底层的厚度为100nm，窗口层的厚度为150nm，吸收层的厚度为3μm，背接触层的厚度为40nm，复合背电极层的厚度为250nm。
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FTO导电玻璃为衬底材料，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，80℃条件下烘干后保存备用。
(2)在衬底层上采用近空间升华法制备硫化镉窗口层，蒸发源与衬底间的距离为3mm，蒸发源温度为550℃，衬底温度为470℃，镀膜时间为15s，最终获得的薄膜厚度为150nm，薄膜致密且均匀。
(3)在硫化镉窗口层上采用近空间升华法制备碲化镉窗口层，为了确保薄膜的均匀性，采用两段式镀膜工艺：第一段蒸发源温度560℃，衬底温度470℃，镀膜时间2min；第二段蒸发源温度620℃，衬底温度500℃，镀膜时间2min，薄膜厚度3μm。
(4)采用浓度为0.25mol/L CdCl2甲醇溶液进行CdS/CdTe层的活化处理，采用滚轴涂覆法，以来回涂覆方式，确保薄膜表面均负载CdCl2；
(5)进行退火处理，退火温度为380℃，时间为20min。
(6)采用共蒸发技术进行ZnTe:Cu背接触层的制备，ZnTe与Cu二者间的原子数比约为12：1，二者分开存放于不同的加热容器中，同时蒸发，蒸发速率分别控制在1nm/s，0.05nm/s；使得Cu均匀的掺杂到整个ZnTe薄膜中；共蒸发制膜时间30s，得到的薄膜厚度约40nm，然后对整个样品进行热处理，处理温度250℃，保温时间4min。
(7)采用磁控溅射法来进行Mo/NiV复合背电极层的制备。首先进行Mo层的制备，在50W/cm功率下制备Mo种子层，厚度40nm；再在75W/cm功率下将Mo层厚度增加至100nm；最后在100W/cm功率下直接进行NiV薄膜层的制备，NiV薄膜的厚度约150nm。
(8)对电池样品进行激光刻线，进而实现电池串联，最后经过封装工艺完成碲化镉薄膜电池的制备。
实施例3
如图1所示，一种具有复合背电极的碲化镉薄膜太阳能电池，依次设置有FTO导电玻璃衬底层、硫化镉窗口层、碲化镉吸收层、掺铜碲化锌吸收层、钼/镍钒复合背电极层。其中，衬底层的厚度为150nm，窗口层的厚度为200nm，吸收层的厚度为3.5μm，背接触层的厚度为60nm，复合背电极层的厚度为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FTO导电玻璃为衬底材料，导电膜的厚度为150nm，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，90℃条件下烘干后保存备用。
(2)在衬底层上采用近空间升华法制备硫化镉窗口层，蒸发源与衬底间的距离为4mm，蒸发源温度为600℃，衬底温度为500℃，镀膜时间为30s，最终获得的薄膜厚度为200nm，薄膜致密且均匀。
(3)在硫化镉窗口层上采用近空间升华法制备碲化镉窗口层，为了确保薄膜的均匀性，采用两段式镀膜工艺：第一段蒸发源温度600℃，衬底温度480℃，镀膜时间2min；第二段蒸发源温度650℃，衬底温度520℃，镀膜时间3min，薄膜厚度3.5μm。
(4)采用浓度为0.3mol/L CdCl2甲醇溶液进行CdS/CdTe层的活化处理，采用滚轴涂覆法，以来回涂覆方式，确保薄膜表面均负载CdCl2；
(5)进行退火处理，退火温度为450℃，时间为30min。
(6)采用共蒸发技术进行ZnTe:Cu背接触层的制备，ZnTe与Cu二者间的原子数比约为14:1，二者分开存放于不同的加热容器中，同时蒸发，蒸发速率分别控制在2nm/s，0.07nm/s；使得Cu均匀的掺杂到整个ZnTe薄膜中；共蒸发制膜时间40s，得到的薄膜厚度约60nm，然后对整个样品进行热处理，处理温度300℃，保温时间6min。
(7)采用磁控溅射法来进行Mo/NiV复合背电极层的制备。首先进行Mo层的制备，在45W/cm功率下制备Mo种子层，厚度50nm；再在55W/cm功率下将Mo层厚度增加至250nm；最后在85W/cm功率下直接进行NiV薄膜层的制备，NiV薄膜的厚度约250nm。
(8)对电池样品进行激光刻线，进而实现电池串联，最后经过封装工艺完成碲化镉薄膜电池的制备。
实施例4
如图1所示，一种具有复合背电极的碲化镉薄膜太阳能电池，依次设置有FTO导电玻璃衬底层、硫化镉窗口层、碲化镉吸收层、掺铜碲化锌吸收层、钼/镍钒复合背电极层。其中，衬底层的厚度为250nm，窗口层的厚度为250nm，吸收层的厚度为4μm，背接触层的厚度为80nm，复合背电极层的厚度为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FTO导电玻璃为衬底材料，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，100℃条件下烘干后保存备用。
(2)在衬底层上采用近空间升华法制备硫化镉窗口层，蒸发源与衬底间的距离为2-4mm，蒸发源温度为600℃，衬底温度为500℃，镀膜时间为30s，最终获得的薄膜厚度为250nm，薄膜致密且均匀。
(3)在硫化镉窗口层上采用近空间升华法制备碲化镉窗口层，为了确保薄膜的均匀性，采用两段式镀膜工艺：第一段蒸发源温度600℃，衬底温度480℃，镀膜时间2min；第二段蒸发源温度650℃，衬底温度550℃，镀膜时间3min，薄膜厚度4μm。
(4)采用浓度为0.3mol/L CdCl2甲醇溶液进行CdS/CdTe层的活化处理，采用滚轴涂覆法，以来回涂覆方式，确保薄膜表面均负载CdCl2；
(5)进行退火处理，退火温度为500℃，时间为30min。
(6)采用共蒸发技术进行ZnTe:Cu背接触层的制备，ZnTe与Cu二者间的原子数比约为15:1，二者分开存放于不同的加热容器中，同时蒸发，蒸发速率分别控制在3nm/s，0.1nm/s；使得Cu均匀的掺杂到整个ZnTe薄膜中；共蒸发制膜时间60s，得到的薄膜厚度约80nm，然后对整个样品进行热处理，处理温度300℃，保温时间8min。
(7)采用磁控溅射法来进行Mo/NiV复合背电极层的制备。首先进行Mo层的制备，在40W/cm功率下制备Mo种子层，厚度50nm；再在65W/cm功率下将Mo层厚度增加至300nm；最后在90W/cm功率下直接进行NiV薄膜层的制备，NiV薄膜的厚度约300nm。
(8)对电池样品进行激光刻线，进而实现电池串联，最后经过封装工艺完成碲化镉薄膜电池的制备。
对照例1
提供一种碲化镉薄膜太阳能电池，依次设置有FTO导电玻璃衬底层、硫化镉窗口层、碲化镉吸收层、掺铜碲化锌吸收层、背电极层。其中，衬底层的厚度为100nm，窗口层的厚度为150nm，吸收层的厚度为3μm，背接触层的厚度为40nm，背电极层的厚度为250nm，其中背电极层的材料为单一的钼电极。
其制备方法与实施例2相同。
对照例2
提供一种碲化镉薄膜太阳能电池，依次设置有FTO导电玻璃衬底层、硫化镉窗口层、碲化镉吸收层、掺铜碲化锌吸收层、背电极层。其中，衬底层的厚度为100nm，窗口层的厚度为150nm，吸收层的厚度为3μm，背接触层的厚度为40nm，背电极层的厚度为250nm，其中背电极层的材料为单一的NiV合金电极。
其制备方法与实施例2相同。
实施例5
背电极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实施例2、对照例1、对照例2；
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背电极材料对碲化镉薄膜电池的性能影响
| 样品 | Jsc/mA·cm-2 | Voc/V | FF | Eff/％ |
| 实施例2 | 24.24 | 0.72 | 0.67 | 11.65 |
| 对照例1 | 23.15 | 0.72 | 0.53 | 8.79 |
| 对照例2 | 22.50 | 0.69 | 0.43 | 6.77 |
由上表可以看出，相较于对照例1、对照例2的单一背电极结构的电池，实施例2中具备Mo/NiV复合背电极的电池具备相对较好的光电性能，实施例2中的复合电极，不仅可以增加光电流的收集与传递作用，还可以通过Mo层的过渡作用降低界面电阻与界面损失，电池的电流密度与填充因子都有了较大提升，最终使得电池效率得到提高。
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 (10)
1.一种具有复合背电极的碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池依次设置有衬底层、窗口层、吸收层、背接触层、复合背电极层，所述窗口层的材料为硫化镉，所述吸收层的材料为碲化镉，所述背接触层的材料为掺铜碲化锌，所述复合背电极层为钼层和镍钒层形成的复合背电极层。
2.根据权利要求1所述的具有复合背电极的碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述衬底层的厚度为50～250nm，所述窗口层的厚度为100～250nm，所述吸收层的厚度为2.5～4μm，所述背接触层的厚度为20～80nm，所述复合背电极层的厚度为200～600nm。
3.一种具有复合背电极的碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括依次设置的以下步骤：(1)以FTO导电玻璃为衬底层，在所述衬底层上沉积硫化镉窗口层；(2)在所述硫化镉窗口层上沉积碲化镉吸收层；(3)活化处理然后进行退火处理；(4)在所述碲化镉吸收层上沉积掺铜碲化镉背接触层，然后进行热处理；(5)在所述掺铜碲化镉背接触层上沉积钼/镍钒复合背电极层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述硫化镉窗口层与所述碲化镉吸收层采用近空间升华法制备。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中活化处理具体为采用浓度为0.1-0.3mol/L的CdCl2甲醇溶液对硫化镉窗口层和碲化镉光吸收层进行活化处理，采用滚轴涂覆法，确保薄膜表面均负载CdCl2。
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)中退火温度为300～500℃，退火时间为10～30分钟。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述掺铜碲化锌背接触层采用蒸发法制备，所述掺铜碲化锌薄膜由铜和碲化锌共同蒸发得到，所述碲化锌与所述铜的原子数比例为11～15:1。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述铜的蒸发速率为0.5～3nm/s，所述碲化镉的蒸发速率为0.01～0.1nm/s，蒸发时间为10～60s。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中热处理的温度为200～300℃，保温时间2～8分钟。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中复合背电极层采用磁控溅射法制备，具体为先在背接触层上在功率为(35-50)W/cm条件下制备钼种子层，厚度为30～50nm，然后在功率为(50-75)W/cm下将钼层厚度增加至100～300nm，最后功率为(75-100)W/cm条件下制备镍钒层厚度为100～300nm。
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