CN109817751B - 一种碲化镉薄膜太阳能电池及其优化后处理方法 - Google Patents

一种碲化镉薄膜太阳能电池及其优化后处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碲化镉薄膜太阳能电池及其优化后处理方法，包括依次设置的FTO玻璃层、CdS层、CdTe层、活化层、铜金属层、钼层；所述活化层包括MgCl2和Ga2(SO4)3。本发明的碲化镉薄膜太阳能电池的毒性小，环境配置要求低，维护成本较小，太阳能电池效率大大提高，电池的性能优异。

Description

一种碲化镉薄膜太阳能电池及其优化后处理方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，具体为一种碲化镉薄膜太阳能电池及其优化后处理方法。
背景技术
碲化镉吸收系数是硅材料的100倍，属于直接间隙材料，对全光谱吸收非常好，弱光效应好，在清晨、傍晚等弱光条件吸光明显优于间接带隙材料的晶硅电池，无本征光致衰减效应，工作寿命较长，估计20-30年具有80％输出功率保证。因此，其主要应用于高效的薄膜太阳能电池。如果将其设计为条形串联电池，有利于减少热斑效应，可提高其发电能力、保证产品寿命。碲化镉薄膜太阳能电池是在玻璃或是其它柔性衬底上依次沉积多层薄膜而构成的光伏器件，可制备成色彩均匀、美观，可大量应用于在建筑上。碲化镉目前实验室的最高转换效率已达22％，碲化镉基太阳能电池相图简单，制备容易，使其有利于商业化大规模生产，是理想的建筑光伏电池。
CdTe/CdS异质结太阳能电池结构稳定，制备工艺简单，用料少，易实现大规模生产，是碲化镉太阳能电池近年来关注的焦点。目前的碲化镉薄膜太阳能电池的制备工艺是在衬底上沉积CdS/CdTe薄膜后，将CdCl2溶液采用自动化滚轴涂覆系统在CdTe表面均匀涂覆一层CdCl2，干燥后进入退火炉中。这种工艺的缺点是毒性大，涂覆CdCl2的设备需建立一个单独的封闭室，环境配置要求高，维护成本较大。一方面，研究发现CdCl2处理后的CdTe/CdS异质结太阳能电池效率大大提高，但是CdCl2具有高毒性及致癌性，不利于长期发展；另一方面，在碲化镉薄膜层存在Te析出物，这些析出物的存在相当于光生载流子的陷阱中心，从而降低电池的性能。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能有效提升电池的光电性能，提升转换效率，无毒耐用的碲化镉薄膜太阳能电池及其优化后处理方法。
本发明首先提供一种碲化镉薄膜太阳能电池，包括依次设置的FTO玻璃层、CdS层、CdTe层、活化层、铜金属层、钼层；所述活化层包括MgCl2和Ga2(SO4)3。
本发明再次提供一种碲化镉薄膜太阳能电池的优化后处理方法，包括如下步骤：
S1选择FTO玻璃作为基底材料；
S2在FTO玻璃上沉积CdS层；
S3在CdS层上沉积CdTe层；
S4在所述CdTe层上涂覆活化层；
S5活化层退火处理；
S6在所述活化层上涂覆铜；
S7进行背电极的沉积；
S8进行封装；
所述活化层为MgCl2和Ga2(SO4)3，再加入HCl或者H2SO4调节pH值到1.5-2.5的混合溶液。
优选的，在S1步骤中，所述FTO玻璃透过率大于80％。优选用丙酮、去离子水清洗后，再进入S2步骤。
优选的，在步骤S2中将FTO玻璃导电面面向蒸发源，距离为2mm，FTO玻璃加热到500-550℃，硫化镉粉末加热温度为500-600℃，通过蒸发时间控制薄膜厚度为100-150nm。
优选的，在步骤S3中在硫化镉层上沉积吸收层碲化镉，基底与蒸发源距离为10mm，基底温度保持在500-550℃，碲镉粉末加热温度为550-650℃，其中碲化镉沉积腔室压力为1000Pa，通过蒸发时间控制薄膜厚度为2.5-3um。
优选的，在步骤S4中将0.1-0.3mol/L的MgCl2和0.03-0.06mol/L的Ga2(SO4)3搅拌60min配成均匀混合溶液，加入HCl或者H2SO4调节混合溶液的PH值为1.5-2.5，将配置好的溶液均匀滚涂到CdTe层表面，滚涂温度为50-70℃。
优选的，在步骤S5中活化层退火处理为将MgCl2和Ga2(SO4)3的混合溶液涂覆后干燥，在大气条件下400-450℃退火20-30min。
优选的，还包括步骤S51，将退火处理后的样品在H2SO4和K2Gr2O7进行酸刻蚀，NAOH和Na2S2O3溶液中进行碱刻蚀，分别酸刻蚀2S，碱刻蚀2min。
优选的，在步骤S6中对刻蚀后样品进行铜扩散处理。
优选的，在步骤S7中采用磁控溅射法进行钼电极的制备，50W/cm功率下制备80-120nm厚钼层。
优选的，在步骤S8中对电池激光刻线进行串联，POE封装。
本发明的有益效果为：
本发明的碲化镉薄膜太阳能电池的毒性小，环境配置要求低，维护成本较小。且太阳能电池效率大大提高，电池的性能优异。
附图说明
图1为本发明一种优选实施例的碲化镉薄膜太阳能电池的结构图；
图2为本发明一种优选实施例的碲化镉薄膜太阳能电池的制备流程图；
具体的附图标记为：
1FTO玻璃层；2CdS层；3CdTe层；4活化层；5铜金属层；6钼层。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明首先提供一种碲化镉薄膜太阳能电池，包括依次设置的FTO玻璃层1、CdS层2、CdTe层3、活化层4、铜金属层5、钼层6；所述活化层4包括MgCl2和Ga2(SO4)3。
本发明再次提供一种碲化镉薄膜太阳能电池的优化后处理方法，包括如下步骤：
S1选择FTO玻璃作为基底材料构成FTO玻璃层1；
S2在FTO玻璃上沉积CdS层2；
S3在CdS层2上沉积CdTe层3；
S4在所述CdTe层3上涂覆活化层4；
S5活化层4退火处理；
S6在所述活化层4上涂覆铜；
S7进行背电极的沉积；
S8进行封装；
所述活化层4为MgCl2和Ga2(SO4)3，再加入HCl或者H2SO4调节pH值到1.5-2.5的混合溶液。
优选的，在S1步骤中，所述FTO玻璃透过率大于80％。优选用丙酮、去离子水清洗后，再进入S2步骤。
优选的，在步骤S2中将FTO玻璃导电面面向蒸发源，距离为2mm，FTO玻璃加热到500-550℃，硫化镉粉末加热温度为500-600℃，通过蒸发时间控制薄膜厚度为100-150nm。
优选的，在步骤S3中在硫化镉层上沉积吸收层碲化镉，基底与蒸发源距离为10mm，基底温度保持在500-550℃，碲镉粉末加热温度为550-650℃，其中碲化镉沉积腔室压力为1000Pa，通过蒸发时间控制薄膜厚度为2.5-3um。
优选的，在步骤S4中将0.1-0.3mol/L的MgCl2和0.03-0.06mol/L的Ga2(SO4)3搅拌60min配成均匀混合溶液，加入HCl或者H2SO4调节混合溶液的PH值为1.5-2.5，将配置好的溶液均匀滚涂到CdTe层3表面，滚涂温度为50-70℃。
优选的，在步骤S5中活化层4退火处理为将MgCl2和Ga2(SO4)3的混合溶液涂覆后干燥，在大气条件下400-450℃退火20-30min。
优选的，还包括步骤S51，将退火处理后的样品在H2SO4和K2Gr2O7进行酸刻蚀，NAOH和Na2S2O3溶液中进行碱刻蚀，分别酸刻蚀2S，碱刻蚀2min。
优选的，在步骤S6中对刻蚀后样品进行铜扩散处理。
优选的，在步骤S7中采用磁控溅射法进行钼电极的制备，50W/cm功率下制备80-120nm厚的钼层6。
优选的，在步骤S8中对电池激光刻线进行串联，POE封装。
实施例一
S1选择透过率大于80％的FTO玻璃作为基底材料，分别用丙酮、去离子水清洗。
S2将步骤S1清洗洁净的FTO玻璃导电面面向蒸发源，距离为2mm，FTO玻璃加热到500℃，硫化镉粉末加热温度为550℃，通过蒸发时间控制薄膜厚度为80nm。
S3在硫化镉层上沉积吸收层碲化镉，基底与蒸发源距离为10mm，基底温度保持在550℃，碲镉粉末加热温度为600℃，其中碲化镉沉积腔室压力为1000Pa，控制薄膜厚度为2.8um。
S4将0.15mol/L的MgCl2和0.04mol/L的Ga2(SO4)3搅拌60min配成均匀混合溶液，加入HCl或者H2SO4调节混合溶液的PH值为1.5，将配置好的溶液均匀滚涂到CdTe层3表面，滚涂温度为55℃，涂覆后干燥，在大气条件下450℃退火30min。
S5经过步骤S4活化处理后，在H2SO4和K2Gr2O7进行酸刻蚀，NAOH和Na2S2O3溶液中进行碱刻蚀，分别刻蚀2S和2min。
S6对刻蚀后样品进行铜扩散处理。
S7采用磁控溅射法进行钼电极的制备，50W/cm功率下制备120nm厚的钼层6。
S8对电池激光刻线进行串联，POE封装。
实施例二
S1选择透过率大于80％的FTO玻璃作为基底材料，分别用丙酮、去离子水清洗。
S2将步骤S1清洗洁净的FTO玻璃导电面面向蒸发源，距离为2mm，FTO玻璃加热到500℃，硫化镉粉末加热温度为550℃，通过蒸发时间控制薄膜厚度为80nm。
S3在硫化镉层上沉积吸收层碲化镉，基底与蒸发源距离为10mm，基底温度保持在550℃，碲镉粉末加热温度为600℃，其中碲化镉沉积腔室压力为1000Pa，控制薄膜厚度为2.8um。
S4将0.25mol/L的MgCl2和0.05mol/L的Ga2(SO4)3搅拌60min配成均匀混合溶液，加入HCl或者H2SO4调节混合溶液的PH值为1.5-2.5，将配置好的溶液均匀滚涂到CdTe层3表面，滚涂温度为55℃，涂覆后干燥，在大气条件下450℃退火30min。
S5经过步骤S4活化处理后，在H2SO4和K2Gr2O7进行酸刻蚀，NaOH和Na2S2O3溶液中进行碱刻蚀，分别刻蚀2S和2min。
S6对刻蚀后样品进行铜扩散处理。
S7采用磁控溅射法进行钼电极的制备，50W/cm功率下制备120nm厚的钼层6。
S8对电池激光刻线进行串联，POE封装。
对比实施例
S1选择透过率大于80％的FTO玻璃作为基底材料，分别用丙酮、去离子水清洗。
S2将步骤S1清洗洁净的FTO玻璃导电面面向蒸发源，距离为2mm，FTO玻璃加热到500℃，硫化镉粉末加热温度为550℃，通过蒸发时间控制薄膜厚度为80nm。
S3在硫化镉层上沉积吸收层碲化镉，基底与蒸发源距离为10mm，基底温度保持在550℃，碲镉粉末加热温度为600℃，其中碲化镉沉积腔室压力为1000Pa，控制薄膜厚度为2.8um。
此处不进行S4及S5步骤处理。
S6直接对S3的样品进行铜扩散处理。
S7采用磁控溅射法进行钼电极的制备，50W/cm功率下制备120nm厚的钼层6。
S8对电池激光刻线进行串联，POE封装。
实验结果
将实施例一、实施例二和对比实施例中的太阳能电池进行性能测试
表1太阳能电池性能测试
Voc Jsc(mA/cm2) FF％ η
实施例一 832mV 20.6 63.9％ 10.95
实施例二 852mV 21.8 75.3％ 13.6
对比实施例 785mV 21.8 63.9％ 10.94
从上表中可以得知，本发明的太阳能电池的性能比原有的太阳能电池保持短路电流稳定的基础上使得开路电压有明显的提升从而有利于提高电池的转换效率。
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 (9)

1.一种碲化镉薄膜太阳能电池的优化后处理方法，其特征在于：碲化镉薄膜太阳能电池包括依次设置的FTO玻璃层、CdS层、CdTe层、活化层、铜金属层、钼层；所述活化层包括MgCl2和Ga2(SO4)3；
优化后处理方法包括如下步骤：
S1选择FTO玻璃作为基底材料；
S2在FTO玻璃上沉积CdS层；
S3在CdS层上沉积CdTe层；
S4在所述CdTe层上涂覆活化层；
S5活化层退火处理；
S6在所述活化层上涂覆铜；
S7进行背电极的沉积；
S8进行封装；
所述活化层为0.1-0.3mol/L的MgCl2和0.03-0.06mol/L的Ga2(SO4)3，再加入HCl或者H2SO4调节pH值到1.5-2.5的混合溶液。
2.根据权利要求1所述的碲化镉薄膜太阳能电池的优化后处理方法，其特征在于：所述FTO玻璃透过率大于80％；用丙酮、去离子水清洗。
3.根据权利要求1所述的碲化镉薄膜太阳能电池的优化后处理方法，其特征在于：所述步骤S2中将FTO玻璃导电面面向蒸发源，距离为2mm，FTO玻璃加热到500-550℃，硫化镉粉末加热温度为500-600℃，通过蒸发时间控制薄膜厚度为100-150nm。
4.根据权利要求1所述的碲化镉薄膜太阳能电池的优化后处理方法，其特征在于：所述步骤S3中在硫化镉层上沉积吸收层碲化镉，基底与蒸发源距离为10mm，基底温度保持在500-550℃，碲镉粉末加热温度为550-650℃，其中碲化镉沉积腔室压力为1000Pa，通过蒸发时间控制薄膜厚度为2.5-3um。
5.根据权利要求1所述的碲化镉薄膜太阳能电池的优化后处理方法，其特征在于：所述步骤S4中将0.1-0.3mol/L的MgCl2和0.03-0.06mol/L的Ga2(SO4)3搅拌60min配成均匀混合溶液，加入HCl或者H2SO4调节混合溶液的PH值为1.5-2.5，将配置好的溶液均匀滚涂到CdTe层表面，滚涂温度为50-70℃。
6.根据权利要求1所述的碲化镉薄膜太阳能电池的优化后处理方法，其特征在于：所述步骤S5中活化层退火处理为将MgCl2和Ga2(SO4)3的混合溶液涂覆后干燥，在大气条件下400-450℃退火20-30min。
7.根据权利要求1所述的碲化镉薄膜太阳能电池的优化后处理方法，其特征在于：还包括步骤S51，将退火处理后的样品在H2SO4和K2Gr2O7进行酸刻蚀，NaOH和Na2S2O3溶液中进行碱刻蚀，分别酸刻蚀2S，碱刻蚀2min。
8.根据权利要求7所述的碲化镉薄膜太阳能电池的优化后处理方法，其特征在于：所述步骤S6为对刻蚀后样品进行铜扩散处理。
9.根据权利要求7所述的碲化镉薄膜太阳能电池的优化后处理方法，其特征在于：所述步骤S7为采用磁控溅射法进行钼电极的制备，50W/cm功率下制备80-120nm厚的钼层。
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