CN109801980B

CN109801980B - 一种碲化镉薄膜太阳能电池及其制备方法

Info

Publication number: CN109801980B
Application number: CN201910019216.5A
Authority: CN
Inventors: 彭寿; 马立云; 潘锦功; 傅干华; 赵雷
Original assignee: Cnbm Chengdu Optoelectronic Materials Co ltd
Current assignee: Cnbm Chengdu Optoelectronic Materials Co ltd
Priority date: 2019-01-09
Filing date: 2019-01-09
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2039-01-09
Also published as: CN109801980A

Abstract

本发明公开一种碲化镉薄膜太阳能电池，包括由下至上依次设置的衬底层、光吸收层、背接触层和背电极层，所述的光吸收层为碲化镉薄膜层，所述的背接触层由碲化锑与硒化铜的复合材料构成。本发明所述的碲化镉薄膜太阳能电池设置碲化锑与硒化铜的复合材料的背接触层，可以与碲化镉光吸收层形成良好的欧姆接触，降低了势垒，同时掺杂的硒化铜可以有效的改善碲化镉光吸收层的缺陷，而且硒扩散到碲化镉界面后，可以有效的提高碲化镉的禁带宽度，呈现深“V”型的梯度变化，电池初始性能、长期稳定性优异，转换效率高。

Description

一种碲化镉薄膜太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域，尤其涉及一种碲化镉薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术

碲化镉薄膜太阳能电池简称CdTe电池，它是一种以p型CdTe和n型CdS的异质结为基础的薄膜太阳能电池。美国南佛罗里达大学于1993年用升华法在1cm²面积上做出转换效率为15.8％的太阳电池；随后，日本Matsushita Battery研究的CdTe小面积电池在实验室里的最高转换效率为16％，成为当时碲化镉薄膜太阳能电池的最高纪录。近年来，太阳电池的研究方向是高转换效率、低成本和高稳定性。西门子开发的面积为3600cm²的碲化镉薄膜太阳能电池转换效率达到11.1％的水平；美国国家可再生能源实验室公布了Solar Cells公司的面积为6879cm²的碲化镉薄膜太阳能电池的测试结果，其转换效率达到7.7％；BpSolar的碲化镉薄膜太阳能电池面积为4540cm²，转换效率为8.4％，面积为706cm²的，转换效率达到10.1％；Goldan Photon的碲化镉薄膜太阳能电池，面积为3528cm²，转换效率为7.7％。基础的结构的碲化镉太阳能电池转换效率仍然较低，由于p型CdTe具有较高的功函数，可以达到5.7ev，这样在其与其他金属接触时，很容易形成势垒，为了解决这个问题，通常是对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，腐蚀产生的废液是严重的污染源，背接触层材料采用最多的是ZnTe:Cu的背接触层，这种方式只能在一定程度上有限的提高转换效率，难以满足日益发展的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种碲化镉薄膜太阳能电池，解决目前技术中的碲化镉薄膜太阳能电池的转换效率低，性能低的问题。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：

一种碲化镉薄膜太阳能电池，包括由下至上依次设置的衬底层、光吸收层、背接触层和背电极层，所述的光吸收层为碲化镉薄膜层，所述的背接触层由碲化锑与硒化铜的复合材料构成。本发明所述的碲化镉薄膜太阳能电池在光吸收层与背电极层之间加入一层背接触层，背接触层为碲化锑与硒化铜的复合材料，碲化镉的功函数较高，而且属于自补偿材料，很难被掺杂，所以采用一个功函数与P型碲化镉相近的材料，碲化锑的功函数可以达到5.8ev，可以与碲化镉光吸收层形成良好的欧姆接触，降低了势垒，同时掺杂的硒化铜可以有效的改善碲化镉光吸收层的缺陷，而且硒扩散到碲化镉界面后，可以有效的提高碲化镉的禁带宽度，呈现深“V”型的梯度变化，电池初始性能、长期稳定性优异，转换效率高。

进一步的，所述的背接触层的厚度为15～35nm，提高电池的充放电效率、开路电压、短路电流和填充因子，提高电池的光电转化效率。

进一步的，所述的碲化锑与硒化铜的复合材料中硒化铜的占比为1～17％。

进一步的，所述的碲化锑与硒化铜的复合材料中硒化铜的占比为3.5％，有效提高开路电压、电流密度和填充因子。

进一步的，所述的背接触层采用电子束蒸发方法沉积制得，比一般电阻加热蒸发热效率高、束流密度大、蒸发速度快，制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可以较准确地控制。

进一步的，所述的背电极层的材料为导电的金属材料、导电的无机非金属材料或导电的有机高分子材料中的至少一种，所述的衬底层的材料为FTO。

进一步的，所述的背电极层的厚度为450～550nm，所述的光吸收层的厚度为3～5μm。

进一步的，所述的背电极层采用磁控溅射法沉积制得。

一种上述碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，所述的碲化镉薄膜太阳能电池的衬底层上依次沉积出光吸收层、背接触层和背电极层，在背接触层沉积完成后进行活化退火处理，所述活化退火处理的退火温度为160～230℃，退火时间为10～60min。制备方法操作简单，容易控制，制作的背接触层薄膜结构致密、晶粒尺寸适宜，使碲化镉薄膜太阳能电池的开路电压和填充因子高，电池初始性能、长期稳定性优异，转换效率高。

进一步的，背接触层的沉积加工中先将碲化锑与硒化铜按照比例预先混合制造成块状，然后在石墨烯坩埚内进行背接触层的沉积。

与现有技术相比，本发明优点在于：

本发明所述的碲化镉薄膜太阳能电池设置碲化锑与硒化铜的复合材料的背接触层，可以与碲化镉光吸收层形成良好的欧姆接触，降低了势垒，同时掺杂的硒化铜可以有效的改善碲化镉光吸收层的缺陷，而且硒扩散到碲化镉界面后，可以有效的提高碲化镉的禁带宽度，呈现深“V”型的梯度变化，电池初始性能、长期稳定性优异，转换效率高。

附图说明

图1为碲化镉薄膜太阳能电池的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开一种碲化镉薄膜太阳能电池，优化背接触层，能与光吸收层形成良好的欧姆接触，降低势垒，改善光吸收层的缺陷，提高碲化镉的禁带宽度，提高碲化镉薄膜太阳能电池的开路电压和填充因子，电池初始性能、长期稳定性优异，提高转换效率。

一种碲化镉薄膜太阳能电池，如图1所示，包括由下至上依次设置的衬底层1、光吸收层2、背接触层3和背电极层4，所述的光吸收层2为碲化镉薄膜层，所述的背接触层3由碲化锑与硒化铜的复合材料构成，并且背接触层3的厚度为15～35nm，碲化锑与硒化铜的复合材料中硒化铜的占比为1～17％，背接触层3采用电子束蒸发方法沉积制得；

背电极层4的材料为导电的金属材料、导电的无机非金属材料或导电的有机高分子材料中的至少一种，所述的衬底层1的材料为FTO，背电极层4的厚度为450～550nm，所述的光吸收层2的厚度为3～5μm，背电极层4采用磁控溅射法沉积制得。

上述碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，所述的碲化镉薄膜太阳能电池的衬底层1上依次沉积出光吸收层2、背接触层3和背电极层4，在背接触层3沉积完成后进行活化退火处理，所述活化退火处理的退火温度为160～230℃，退火时间为10～60min，其中，背接触层3的沉积加工中先将碲化锑与硒化铜按照比例预先混合制造成块状，然后在石墨烯坩埚内进行背接触层3的沉积。

一

除背接触层3材料不同外其他制备方法及参数均相同，选取背接触层3的厚度为35nm，碲化锑与硒化铜的复合材料中硒化铜的占比为3.5％，背电极层4的厚度为450nm，所述的光吸收层2的厚度为3μm，退火温度为200℃，退火时间为40min。

表1

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。

表1为背接触层材料对碲化镉薄膜太阳能电池的性能影响，样品1：无背接触层，样品2：碲化锌，样品3：铜背接触，样品4：碲化锌掺铜，样品5：碲化锑掺硒化铜，样品6：碳浆；从表1可以看出，采用碲化锑与硒化铜的复合性材料为背接触层为背接触材料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相比都有明显的提高。

二

除碲化锑与硒化铜的复合材料中硒化铜的占比不同外其他制备方法及参数均相同，采用碲化锑与硒化铜的复合材料制成背接触层3，选取背接触层3的厚度为35nm，背电极层4的厚度为480nm，所述的光吸收层2的厚度为4μm，退火温度为200℃，退火时间为40min。

表2

表2为碲化锑与硒化铜的复合材料中硒化铜的占比对碲化镉薄膜太阳能电池的性能影响，硒化铜的占比为3.5％时，开路电压、电流密度和填充因子与其他几种相比都有明显的提高。

三

除背接触层3的厚度不同外其他制备方法及参数均相同，采用碲化锑与硒化铜的复合材料制成背接触层3，碲化锑与硒化铜的复合材料中硒化铜的占比为3.5％，背电极层4的厚度为500nm，所述的光吸收层2的厚度为4μm，退火温度为200℃，退火时间为40min。

表3

背接触层厚度nm	Eff％	VocV	JscmA/cm<sup>2</sup>	FF％
					3	7.14	0.631	20.84	54.28
10	9.42	0.749	22.06	57.03
					17	9.63	0.704	22.59	60.57
26	11.29	0.787	23.65	60.71
					35	12.46	0.822	23.97	63.25
44	10.94	0.798	22.77	60.17
					58	9.03	0.710	21.53	59.04
72	7.37	0.728	18.25	55.53

表3为背接触层3的厚度对碲化镉薄膜太阳能电池的性能影响，从表3可以看出，背接触层厚度为35nm时，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。

四

除退火时间不同外其他制备方法及参数均相同，采用碲化锑与硒化铜的复合材料制成背接触层3，选取背接触层3的厚度为35nm，碲化锑与硒化铜的复合材料中硒化铜的占比为3.5％，背电极层4的厚度为500nm，所述的光吸收层2的厚度为5μm，退火温度为200℃。

表4

退火时间min	Eff％	VocV	JscmA/cm<sup>2</sup>	FF％
					10	7.70	0.703	19.46	56.32
20	10.18	0.767	21.65	61.33
					30	11.42	0.819	22.45	62.12
40	12.18	0.827	23.32	63.14
					50	10.68	0.806	21.46	61.77
60	8.49	0.754	19.27	58.42

表4为退火时间对碲化镉薄膜太阳能电池的性能影响，由表4可以看出，退火时间为40分钟时，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。

五

除退火温度不同外其他制备方法及参数均相同，采用碲化锑与硒化铜的复合材料制成背接触层3，选取背接触层3的厚度为35nm，碲化锑与硒化铜的复合材料中硒化铜的占比为3.5％，背电极层4的厚度为550nm，所述的光吸收层2的厚度为5μm，退火时间为40min。

表5

表5为退火温度对碲化镉薄膜太阳能电池的性能影响，由表5可以看出，活化退火温度为200℃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

1.一种碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，包括由下至上依次设置的衬底层(1)、光吸收层(2)、背接触层(3)和背电极层(4)，所述的光吸收层(2)为碲化镉薄膜层，所述的背接触层(3)由碲化锑与硒化铜的复合材料构成，背接触层(3)中的硒扩散到光吸收层(2)的碲化镉界面。

2.根据权利要求1所述的碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述的背接触层(3)的厚度为15～35nm。

3.根据权利要求1所述的碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述的碲化锑与硒化铜的复合材料中硒化铜的占比为1～17％。

4.根据权利要求3所述的碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述的碲化锑与硒化铜的复合材料中硒化铜的占比为3.5％。

5.根据权利要求1至4任一项所述的碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述的背接触层(3)采用电子束蒸发方法沉积制得。

6.根据权利要求1所述的碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述的背电极层(4)的材料为导电的金属材料、导电的无机非金属材料或导电的有机高分子材料中的至少一种，所述的衬底层(1)的材料为FTO。

7.根据权利要求6所述的碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述的背电极层(4)的厚度为450～550nm，所述的光吸收层(2)的厚度为3～5μm。

8.根据权利要求6所述的碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述的背电极层(4)采用磁控溅射法沉积制得。

9.一种权利要求1所述的碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的碲化镉薄膜太阳能电池的衬底层(1)上依次沉积出光吸收层(2)、背接触层(3)和背电极层(4)，在背接触层(3)沉积完成后进行活化退火处理，所述活化退火处理的退火温度为160～230℃，退火时间为10～60min。

10.根据权利要求9所述的碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，背接触层(3)的沉积加工中先将碲化锑与硒化铜按照比例预先混合制造成块状，然后在石墨烯坩埚内进行背接触层(3)的沉积。