CN1120246A - 具有过渡层的碲化镉太阳电池 - Google Patents

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Abstract

具有过渡层的碲化镉太阳电池，属于一种半导体薄膜太阳电池的结构设计。在碲化镉(P)与背接触层[P-型掺杂碲化锌(Z)或导电背电极(M)]之间加入不掺杂或低掺杂或两者迭加的碲化锌过渡层(B)。其掺杂浓度可以是均匀的，也可以是随过渡层厚度变化的，厚度在20以上。该过渡层能改进原相邻两层之间的晶格匹配，阻止背接触层中的掺杂剂原子或金属原子向碲化镉扩散，堵塞碲化镉的漏电通道。从而提高了这种电池的光电转换效率和稳定性。

Description

具有过渡层的碲化镉太阳电池
本发明属于一种半导体薄膜太阳电池的结构设计。
碲化镉(CdTe)太阳电池是一种化合物半导体薄膜太阳电池。其基本结构为：透明导电膜(T)/n-型硫化镉(C)/p-型碲化镉(P)/导电背电极(M)，如图1所示。导电背电极常用掺铜的石墨电极。然而，由于p-型半导体与导电电极之间难于形成良好的欧姆接触，从而抑制了这类电池的光电转换效率。这已成为发展这类电池需解决的关健问题。
美国埃米泰克(Ametek)公司1990年申请的4977.097号专利，以及美国可再生能源国家实验室(NREL)、科罗拉多矿业学院(CSM)均提出了一种在P-型碲化镉层(P)与导电背电极之间加入一层P-型碲化锌薄膜(2)作为背接触层的太阳电池结构，如图2所示。这层碲化锌膜的掺杂剂为铜或氮，正常的掺杂原子浓度在3％-8％范围内，厚度为250-1200。这种结构的太阳电池虽然性能大为改善：填充因子提高10％左右，开路电压提高3％左右，但是该结构还存在明显不足：
1.碲化锌中掺杂剂的加入，使碲化锌的晶格与相邻的碲化镉的失配加剧，在两者之间形成较高的界面态，从而降低了太阳电池的性能。2.碲化锌中的掺杂剂原子，或石墨电极中的铜原子能较快地向碲化镉扩散，导致电池性能发生衰降。3.因为碲化镉为多晶薄膜，具有大量的晶粒间界及局部微孔。它们会形成微小的漏电通道，较高导电率的碲化锌不能对这些缺陷起修饰作用，因而这类电池仍有较小的旁路电阻。这就抑制了填充因子和开路电压，从而也压抑了光电效率。
本发明的目的就是为了消除上述缺陷，进一步改进这类太阳电池的结构设计，使得到较高的旁路电阻，提高填充因子和开路电压，从而获得更高的光电转换效率和稳定性。
为实现本发明目的，本发明技术方案的基本构思是在碲化镉与背接触层之间加入碲化锌过渡层。本发明所说的背接触层是指P-型碲化锌或导电背电极。也就是说可以在碲化镉与P-型碲化锌之间加入碲化锌过渡层；也可以在碲化镉与导电背电极之间加入碲化锌过渡层。
采用本发明的结构设计，使太阳电池的耗尽区加宽，界面复活降低，堵塞漏电流通道。从电池性能测量上表现为：旁路电阻从不到400Ω.cm2提高到800Ω.cm2以上；提高填充因子5％以上，开路电压也有所提高。下面给出测得的典型结果：样品    转换效率   填充因子   开路电压   短路电流密度无过渡层  11.2％     65％       760MV      21.2mA/cm2有过渡层  12.1％     73.18％    795MV      20.8mA/cm2
此外，本发明过渡层能阻挡P-型碲化锌的掺杂剂原子向碲化镉扩散，从而减缓了这种电池在长期使用或存放后的衰降，即提高了稳定性。
图3、图4是具有过渡层的太阳电池结构图。
以下结合附图和实施例详述本发明。
本发明的结构如图3、4所示。以原太阳电池为基础，在P-型碲化镉(P)与P-型碲化锌(Z)之间加入碲化锌过渡层(B)(图3)，或在P-型碲化镉(P)与导电背电极(M)之间加入碲化锌过渡层(B)(图4)。作为背触层的P-型碲化锌膜，一般正常掺杂的掺杂剂原子浓度在3％-8％范围内。而本发明加入的碲化锌过渡层则是不掺杂的碲化锌，也可以是低掺杂的碲化锌。低掺杂的掺杂剂原子浓度低于3％。在制备低掺杂碲化锌过渡层时，在整个过渡层中的掺杂剂浓度可以是均匀的，即选择一确定的掺杂浓度；也可以是变化的，并可有两种情况：即掺杂剂浓度在过渡层的厚度方向可以从0增加到正常掺杂水平(呈线性变化)，也可以是低于或等于正常掺杂浓度水平的起伏变化(呈曲线变化)。
根据实际应用的需要，碲化锌过渡层可以由不掺杂层或低掺杂层分别单独构成，也可以用不掺杂区和低掺杂区迭加构成。特别是在(P)与(M)之间加入过渡层(B)的情况下，采用迭加的过渡层更加合适。
过渡层(B)的厚度应大于20，以100A～800为宜，但大于1000也会有良好的作用。
碲化锌过渡层的掺杂剂为铜或氮，或其它能提供受主原子的掺杂剂。
碲化锌过渡层的制备与作为背接触层的P-型碲化锌的制备，可以采用相同的设备与基本相同的工艺。
本发明过渡层的作用是：1.过渡作用。该层与碲化镉相邻处，掺杂浓度低，甚至为0，使晶格畸变小，能与碲化镉晶格有良好的匹配；与正常掺杂碲化锌相邻处，也有与之相近的掺杂浓度，两者间也会有良好的晶格匹配。2.由于过渡层本身是不掺杂或低掺杂的，或者它包含了足够厚的不掺杂或低掺杂区，因而能有效地阻挡背接触层(P-型碲化锌或导电电极)中的掺杂剂原子，特别是铜原子，向碲化镉扩散。3.因过渡层本身电导率很低，或包含有足够厚度的低电导率部份，如不掺杂碲化锌，其电导率比正常掺杂碲化锌低约4～5个量级。因此，它能很好地起着堵塞碲化镉中漏电通过的作用。使旁路电阻提高，从而有利于填充因子和开路电压的提高。4.对于光伏效应，缓变结比突变结有利。本发明所述过渡层就是形成缓变结，从而有利于光生载流子的收集，从而达到提高光电转换效率的根本目的。
本发明实施例中采用的样品为透明导电膜/硫化镉/碲化镉结构(TCO/Cds/CdTe)。经退火处理，再经腐蚀的去掉碲化镉表面的氧化层，即可制备太阳电池。
实施例一：
用射频溅射法：靶为纯度达5个9的碲化锌，样品温度为室温，溅射气体为氩，气压15毫乇，射频功率为40～50W，待所有工作参数调整好以后，打开靶与样品间的隔板，沉积200的不掺杂碲化锌过渡层(B)。然后向溅射室中引入氮气，其氮与氩的气压比为2％～5％，再制备氮掺杂的P-型碲化锌背接触层(Z)，厚度约600。
实施例二：
用真空蒸发法：蒸发源分别为纯度达5个9的铜与碲化锌。样品温度为室温，基础真空为2×10-6乇。先对碲化锌蒸发源加热，调整蒸发速率在2-6/秒范围内，打开蒸发源与样品之间的隔板，在样品上沉积出一层100碲化锌。随即对铜蒸发源加热，由于铜蒸发速率的逐渐增加，沉积出掺杂浓度逐渐增加，厚度约500的P-型碲化锌层。上述两层构成了本发明所述的过渡层(B)。最后，可选择好两种蒸发源的蒸发速率，如碲化锌选8/秒，铜选0.2/秒，可沉积出铜原子浓度约6％，厚度约500A的P-型碲化锌背接触层(Z)。
实施例三：
用实施例二的方法：先沉积50不掺杂碲化锌层。关掉样品与蒸发源间的隔板，再对铜蒸发源加热，并调整好铜和碲化锌蒸发源的蒸发速率，如碲化锌可选6/秒，铜可选0.1/秒。打开隔板，再沉积出铜原子浓度约3％，厚度约600的P-型碲化锌。以上两层共同构成了过渡层(B)。最后，可沉积出正常掺杂的P-型碲化锌背接触层(Z)，也可以直接沉积导电背电极(M)。

Claims (5)

1.一种碲化镉太阳电池，其结构为透明导电膜(T)/n-型硫化镉(C)/p-型碲化镉(P)/p-型碲化锌(Z)背接触层/导电背电极(M)，其特征是在碲化镉(P)与背接触层之间加入碲化锌过渡层(B)，所说的背接触层为P-型碲化锌(Z)或导电背电极(M)。
2.如权利要求1的太阳电池，其特征是碲化锌过渡层为不掺杂或低掺杂的。
3.如权利要求1的太阳电池，其特征是碲化锌过渡层由不掺杂区与低掺杂区迭加构成。
4.如权利2或3的太阳电池，其特征是所说的低掺杂是指掺杂剂原子浓度低于3％。
5.如权利要求4的太阳电池，其特征是碲化锌过渡层的掺杂浓度是均匀的或变化的。
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