CN114050192A - 一种n型双面碲化镉太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种n型双面碲化镉太阳电池，旨在解决现有技术中n型CdTe太阳电池光吸收效果较差，n型CdTe太阳电池综合性能较差的问题。一种n型双面碲化镉太阳电池，从正面到背面依次包括：玻璃衬底、透光前电极、窗口层、n型CdTe吸收层、宽禁带的透明缓冲层和透光背电极；n型CdTe吸收层和过渡金属氧化物薄膜之间形成内建电场；透明缓冲层的功函数低于n型CdTe吸收层的功函数，n型CdTe吸收层和透明缓冲层之间形成背电场；窗口层为高功函数的过渡金属氧化物薄膜。解决了现有技术中n型CdTe太阳电池吸光效果差的问题，结合n型CdTe吸收层容易与材料形成欧姆接触，解决了现有技术中p型CdTe吸收层的高背面势垒的问题。
Description
技术领域
本发明属太阳能光伏发电技术领域，具体涉及一种n型双面碲化镉太阳电池。
背景技术
太阳能光伏发电技术以其能源转换直接、资源丰富、度电成本低等优势已成为可再生能源技术创新、实现碳中和目标的核心技术之一。碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池有着光学吸收系数高、弱光性能好、温度系数小、生产工艺简单等独特优势，在光伏建筑一体化及“光伏+”创新应用等方面具有很大发展前景，是目前产业化生产规模最大的薄膜太阳电池技术。太阳电池的工作原理为：在pn结形成的内建电场作用下，太阳光激发产生的电子空穴对分别移动到电池两端，形成光生电流和光生电势，电池两端的电极将电流引出为负载供电。
目前CdTe太阳电池大都采用p型CdTe作为光学吸收层，电池结构一般为：玻璃、透明导电薄膜、窗口层、p型CdTe吸收层、缓冲层、背电极。其中，玻璃作为衬底为太阳电池提供机械保护，及作为受光面允许太阳光进入电池内部；透明导电薄膜作为前电极传导电流；窗口层为n型半导体，与p型CdTe吸收层形成pn结，形成内建电场；CdTe吸收层是电池的核心部分，主要用于吸收太阳光并激发产生电子和空穴；缓冲层主要用于降低背面接触势垒；背电极主要用于传导电流。
目前采用n型CdTe作为光学吸收层的太阳电池报道非常少，主要采用金属栅线作为前电极，超薄Au或p型半导体与n型CdTe接触，形成内建电场。
传统单面太阳电池主要通过正面(距pn结较近面)接收太阳直射光，对环境中的散射光、地面和建筑等产生的反射光无法有效利用。而双面太阳电池采用对称结构，将电池背面的金属全电极换为栅线电极或透明电极，实现双面受光，增加对太阳光的利用，从而增加电池发电功率。
由于p型CdTe吸收层功函数高(～5.7eV)与金属电极直接接触会产生较大的势垒，影响器件空穴输运。目前研究中主要采用在CdTe与金属电极间制备缓冲层(背接触层)，减少背面复合，促进器件空穴输运，但效果仍不理想。P型CdTe的背面势垒已成为影响CdTe电池效率提升的重要因素。而n型CdTe吸收层功函数较低(～4.5eV)，容易与材料形成欧姆接触，n型CdTe吸收层可以很好解决背面势垒问题。
然而，目前报道的采用n型CdTe吸收层的太阳电池在窗口层选型上存在一定问题：主要采用禁带较窄的p性半导体(Cu2Te等)或透光度较差的超薄Au薄膜，导致光学吸收损失较大，目前制备的n型CdTe太阳电池性能较差。此外，目前制备的n型CdTe太阳电池背电极均为全金属电极，背面均不透光，无法实现双面受光，减少了对太阳光的利用。
发明内容
本发明提供了一种n型双面碲化镉太阳电池，旨在解决现有技术中n型CdTe太阳电池光吸收效果较差，导致n型CdTe太阳电池综合性能较差的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种n型双面碲化镉太阳电池，从正面到背面依次包括：玻璃衬底、透光前电极、窗口层、n型CdTe吸收层、宽禁带的透明缓冲层和透光背电极；所述n型CdTe吸收层和所述过渡金属氧化物薄膜之间形成内建电场；所述透明缓冲层的功函数低于所述n型CdTe吸收层的功函数，且n型CdTe吸收层和透明缓冲层之间形成背电场；所述窗口层为高功函数的过渡金属氧化物薄膜。
1、相对于p型CdTe吸收层的高背面势垒，n型CdTe吸收层容易与材料形成欧姆接触，解决了背面势垒的问题。
2、本发明中窗口层采用高功函数的过渡金属氧化物薄膜，高功函数的过渡金属氧化物薄膜与n型CdTe吸收层之间功函数差异较大，可以形成较强的内建电场；另一方面，高功函数的过渡金属氧化物薄膜禁带宽度较宽，有利于减少正面光学吸收损失。
3、采用宽禁带的透明缓冲层，有利于减少背面光学吸收损失，透明缓冲层的功函数低于所述n型CdTe吸收层的功函数，n型CdTe吸收层和透明缓冲层之间形成背电场，有利于电子输运。此外，透明缓冲层和透光背电极均可以透光，使得n型CdTe吸收层双面可以吸光，形成了n型双面透光结构，提高了光吸收效率。
进一步改进的方案：宽禁带的所述透明缓冲层的禁带宽度大于2eV。
进一步改进的方案：所述透明缓冲层的功函数小于4.3eV。
进一步改进的方案：宽禁带的所述透明缓冲层为硫化镉、氧化锌、氧化锌与氧化镁合金、氧化锌与硫化锌合金、硫化镉与氧化镉合金、氟化锂或氟化镁。
进一步改进的方案：高功函数的所述过渡金属氧化物薄膜的功函数大于5.5eV。
进一步改进的方案：高功函数的所述过渡金属氧化物薄膜为氧化钼薄膜、氧化钒薄膜、氧化钨薄膜或氧化镍薄膜。
进一步改进的方案：所述透光背电极为金属栅线。
进一步改进的方案：所述金属栅线为金栅线、银栅线、铜栅线、铝栅线或镁栅线。
进一步改进的方案：所述透光背电极为透明导电薄膜。
进一步改进的方案：所述透明导电薄膜为掺铟氧化锡薄膜、掺铝氧化锌薄膜或氟掺杂氧化锡薄膜。
本发明的有益效果为：
本发明中的正面窗口层采用高功函数的过渡金属氧化物薄膜，禁带宽度较宽，相对于现有的n型CdTe太阳电池，正面吸光效果更好；此外，通过宽禁带带的透明缓冲层和透光背电极均可以透光，使得n型CdTe吸收层背面可以吸光，形成了n型双面透光结构，光吸收效率显著提高；解决了现有技术中的n型CdTe太阳电池光吸收效果较差的问题。
窗口层采用高功函数的过渡金属氧化物薄膜与n型CdTe吸收层之间功函数差异较大，可以形成较强的内建电场；采用宽禁带的透明缓冲层，透明缓冲层的功函数低于所述n型CdTe吸收层的功函数，且n型CdTe吸收层和透明缓冲层之间形成背电场，有利于电子输运，进一步提高了n型CdTe太阳电池性能。
采用本发明中的技术方案，充分解决了现有技术中n型CdTe太阳电池吸光效果差的问题，结合n型CdTe吸收层容易与材料形成欧姆接触，解决了现有技术中p型CdTe吸收层的高背面势垒的问题，本发明中的n型CdTe太阳电池相对于现有的n型CdTe太阳电池和p型CdTe太阳电池具备显著的性能优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关附图。
图1是本发明的结构示意图。
1-玻璃衬底；2-透光前电极；3-窗口层；4-n型CdTe吸收层；5-透明缓冲层；6-透光背电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种n型双面碲化镉太阳电池，从正面到背面依次包括：玻璃衬底1、透光前电极2、窗口层3、n型CdTe吸收层4、宽禁带的透明缓冲层5和透光背电极6；所述n型CdTe吸收层4和所述过渡金属氧化物薄膜之间形成内建电场；所述透明缓冲层的功函数低于所述n型CdTe吸收层4的功函数，且n型CdTe吸收层4和透明缓冲层5之间形成背电场；所述窗口层3为高功函数的过渡金属氧化物薄膜。
其中，玻璃衬底1，一方面为太阳电池提供机械保护，另一方面作为受光面允许太阳光进入电池内部。
其中，透光前电极2，通过沉积设置在玻璃衬底1上，且作为前电极传导电流，透光前电极2的透光性可以使得光进入电池内部。
其中，窗口层3采用高功函数的过渡金属氧化物薄膜，且通过沉积设置在透光前电极2上，高功函数的过渡金属氧化物薄膜可以采用例如：氧化钼(MoOx)薄膜、氧化钒(VOx)薄膜、氧化钨(WOx)薄膜、氧化镍(NiOx)薄膜等。一方面，高功函数的过渡金属氧化物薄膜与n型CdTe吸收层4之间功函数差异较大，可以形成较强的内建电场；另一方面，高功函数的过渡金属氧化物薄膜禁带宽度较宽，有利于减少正面光学吸收损失。高功函数的所述过渡金属氧化物薄膜的功函数大于5.5eV。
其中，n型CdTe吸收层4通过沉积设置在窗口层3上，与窗口层3形成内建电场，主要用于吸收太阳光并激发产生电子和空穴。相对于p型CdTe吸收层的高背面势垒，n型CdTe吸收层4容易与透明缓冲层形成欧姆接触，解决了背面势垒的问题。
其中，所述的宽禁带透明缓冲层5通过沉积设置在n型CdTe吸收层4上，可以采用例如：硫化镉(CdS)、氧化锌(ZnO)、氧化锌与氧化镁合金(Zn1-xMgxO)、氧化锌与硫化锌合金(Zn1-xOxS)、氟化锂(LiF)、硫化镉与氧化镉合金(Cd1-xOxS)、氟化镁(MgF2)等。其中，宽禁带指的是透明缓冲层的禁带宽度大于2eV，禁带宽度越宽，透光性越好。此外，透明缓冲层的功函数低于n型CdTe吸收层4的功函数，能够与n型CdTe吸收层形成背电场，有利于电子朝向透光背电极6输运，其中，透明缓冲层的功函数一般小于4.3eV。此外，透明缓冲层和透光背电极6均可以透光，使得n型CdTe吸收层4双面可以吸光，形成了n型双面透光结构，提高了光吸收效率。
其中，透光背电极6可以采用以下两种方案：
第一种方案：所述透光背电极6为金属栅线；主要利用金属栅线件的空隙透光。所述金属栅线可以采用例如：金栅线、银栅线、铜栅线、铝栅线或镁栅线等。
第二种方案：所述透光背电极6为透明导电薄膜。所述透明导电薄膜可以采用例如：掺铟氧化锡薄膜、掺铝氧化锌薄膜或氟掺杂氧化锡薄膜。
下面结合工作原理对本发明做进一步说明：
正面光照从玻璃衬底1表面入射，穿过透光前电极2和窗口层3后被n型CdTe吸收层4吸收，并在n型CdTe吸收层4中激发产生电子和空穴。同时窗口层3与n型CdTe吸收层4接触后，由于功函数差异会造成n型CdTe吸收层4能带弯曲，在n型CdTe吸收层4中形成内建电场。n型CdTe吸收层4中的电子和空穴在内建电场的作用下分离(电子朝透光背电极6方向移动)。
由于透明缓冲层的功函数比n型CdTe吸收层4低，n型CdTe吸收层4与透明缓冲层接触后，n型CdTe吸收层4与透明缓冲层的界面形成与内建电场方向相同的背电场，有利于电子朝透光背电极6方向移动，即有利于电子输运。
背面光照(环境中的反射及散射光)从透光背电极6表面入射，穿过透光背电极6和透明缓冲层后被n型CdTe吸收层4吸收，并在n型CdTe吸收层4中激发产生电子和空穴。在窗口层3、n型CdTe吸收层4和透明缓冲层的接触作用下，n型CdTe吸收层4中的电子和空穴在内建电场的作用下分离(电子朝透光背电极6方向移动)。
本发明不局限于上述可选实施方式，在互不抵触的前提下，各方案之间可任意组合；任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种n型双面碲化镉太阳电池，其特征在于，从正面到背面依次包括：玻璃衬底、透光前电极、窗口层、n型CdTe吸收层、宽禁带的透明缓冲层和透光背电极；所述n型CdTe吸收层和所述过渡金属氧化物薄膜之间形成内建电场；所述透明缓冲层的功函数低于所述n型CdTe吸收层的功函数，且n型CdTe吸收层和透明缓冲层之间形成背电场；所述窗口层为高功函数的过渡金属氧化物薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种n型双面碲化镉太阳电池，其特征在于：宽禁带的所述透明缓冲层的禁带宽度大于2eV。
3.根据权利要求1所述的一种n型双面碲化镉太阳电池，其特征在于：所述透明缓冲层的功函数小于4.3eV。
4.根据权利要求1所述的一种n型双面碲化镉太阳电池，其特征在于：所述的宽禁带透明缓冲层为硫化镉、氧化锌、氧化锌与氧化镁合金、氧化锌与硫化锌合金、硫化镉与氧化镉合金、氟化锂或氟化镁。
5.根据权利要求1所述的一种n型双面碲化镉太阳电池，其特征在于：高功函数的所述过渡金属氧化物薄膜的功函数大于5.5eV。
6.根据权利要求1所述的一种n型双面碲化镉太阳电池，其特征在于：高功函数的所述过渡金属氧化物薄膜为氧化钼薄膜、氧化钒薄膜、氧化钨薄膜或氧化镍薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种n型双面碲化镉太阳电池，其特征在于：所述透光背电极为金属栅线。
8.根据权利要求6所述的一种n型双面碲化镉太阳电池，其特征在于：所述金属栅线为金栅线、银栅线、铜栅线、铝栅线或镁栅线。
9.根据权利要求1述的一种n型双面碲化镉太阳电池，其特征在于：所述透光背电极为透明导电薄膜。
10.根据权利要求9的一种n型双面碲化镉太阳电池，其特征在于：所述透明导电薄膜为掺铟氧化锡薄膜、掺铝氧化锌薄膜或氟掺杂氧化锡薄膜。
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