CN207474484U - 一种碲化镉太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种碲化镉太阳能电池，所述碲化镉太阳能电池包括：掺氟的二氧化锡FTO导电玻璃；硫化镉CdS薄膜，沉积在掺氟的二氧化锡FTO导电玻璃上；碲化镉CdTe薄膜，沉积在硫化镉CdS薄膜上；碳纳米管薄膜，沉积在碲化镉CdTe薄膜上；金属电极，沉积在碳纳米管薄膜上。上述技术方案具有如下有益效果：使碳纳米管层具备很好的热稳定性，从而电池不会像铜Cu掺杂做背电极那样出现效率减退，延长使用寿命。

Description

一种碲化镉太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及碲化镉太阳能电池(CdTe Solar Cells)及碳纳米管(SWNT)应用技术领域，尤其涉及一种碲化镉太阳能电池。

背景技术

CdTe是II-IV族化合物半导体材料，也是一种直接带隙半导体材料，是具有潜力的高效率的光伏材料。由于其拥有与太阳光谱近乎完美匹配的带隙(1.5eV)，高的光学吸收系数以及低成本的制备工艺，使得基于多晶CdTe薄膜所制备的太阳能电池在整个薄膜太阳能电池界拥有很强的竞争力。CdTe太阳能电池最大的理论转换效率约为30％，而仅仅数微米厚度的CdTe薄膜便可以吸收90％以上的入射光子。因此，这也使得用以制备电池的材料成本得以下降。在2015年，美国First Solar公司制备的CdTe薄膜太阳能电池的实验室效率和组件效率分别达到了21.5％和18.6％，这也使得CdTe薄膜太阳能电池无论在研究领域还是商业应用领域都充满着热点。但由于CdTe的高电子亲和能(4.5eV)以及高阻性(10⁴～10⁶)，导致没有高功函数金属可以与之形成较好的欧姆接触或者是0高度的肖特基势垒，因此增加了接触电阻。在传统的碲化镉电池中，铜Cu的引入可以降低肖特基势垒，但是它的使用也伴随着CdTe稳定性的问题，主要表现在：(1)随着时间的延长，Cu会向着电池内部进行扩散，然后慢慢的便在背电极处留下了Cu耗尽区域；(2)Cu的扩散也同时导致了CdS/CdTe异质结的破坏，并且形成了Cu相关的复合中心。

碳纳米管具有优异的电学、热学、光学性能，有文章曾经报道通过低成本的喷涂技术，半导体性的碳纳米管可以应用在硅太阳能电池器件做接触电极使用，并且取得了一定的进展。碳纳米管SWNT这一层具备很好的热稳定性，对单壁碳纳米管薄膜作CdTe电池的背电极的电池做加速老化实验，没有发现电池像铜Cu掺杂做背电极那样出现效率减退，而且，用单壁碳纳米管做背电极还能降低电池的制作成本。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种碲化镉太阳能电池，使碳纳米管层具备很好的热稳定性，从而电池不会像铜Cu掺杂做背电极那样出现效率减退，延长使用寿命。

为了达到上述技术效果，本实用新型实施例提供了一种碲化镉太阳能电池，所述碲化镉太阳能电池包括：

掺氟的二氧化锡FTO导电玻璃；

硫化镉CdS薄膜，沉积在掺氟的二氧化锡FTO导电玻璃上；

碲化镉CdTe薄膜，沉积在硫化镉CdS薄膜上；

碳纳米管薄膜，沉积在碲化镉CdTe薄膜上；

金属电极，沉积在碳纳米管薄膜上。

上述技术方案具有如下有益效果：用碳纳米管薄膜替代铜Cu作为背电极材料，由于碳纳米管的功函数通常在4.5eV～5.0eV，从而可以降低与碲化镉CdTe薄膜的肖特基势垒，优化背电极的接触，进一步提高了碲化镉CdTe电池的光电转换效率，由于碳纳米管层具备很好的热稳定性，从而电池不会像铜Cu掺杂做背电极那样出现效率减退，延长使用寿命；利用旋涂的方法制备碳纳米管薄膜，制备方法简单，降低制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1为本实用新型实施例一种碲化镉太阳能电池制备方法流程图；

图2为本实用新型实施例一种碲化镉太阳能电池示意图；

图3为本实用新型应用实例制备的碲化镉太阳能电池结构中碳纳米管薄膜的表面SEM图；

图4为本实用新型在AM1.5G光照下，应用实例的碲化镉太阳能电池的伏安特性曲线。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，为本实用新型实施例一种碲化镉太阳能电池制备方法流程图，所述方法包括：

101、在掺氟的二氧化锡FTO导电玻璃上沉积一层硫化镉CdS薄膜；

102、在硫化镉CdS薄膜上沉积一层碲化镉CdTe薄膜；

103、在氯化镉CdCl₂气氛中，对碲化镉CdTe薄膜进行退火处理；

104、在碲化镉CdTe薄膜上旋涂碳纳米管的混合溶液，再在干空气中退火形成碳纳米管薄膜；

105、在碳纳米管薄膜上沉积金属电极。

优选地，所述在掺氟的二氧化锡FTO导电玻璃上沉积一层硫化镉CdS薄膜，包括：

采用磁控溅射方法在二氧化锡FTO导电玻璃上沉积一层硫化镉CdS薄膜；采用磁控溅射方法在二氧化锡FTO导电玻璃上沉积一层硫化镉CdS薄膜的工艺参数为：通入氧气和氩气，腔体压强为3Pa，射频溅射的功率为40W，薄膜厚度为80～100nm；所述二氧化锡FTO导电玻璃层的方块电阻是15Ω，透过率在80％-90％。

优选地，所述在硫化镉CdS薄膜上沉积一层碲化镉CdTe薄膜，包括：

采用磁控溅射方法在硫化镉CdS薄膜上沉积一层碲化镉CdTe薄膜；采用磁控溅射方法在硫化镉CdS薄膜上沉积一层碲化镉CdTe薄膜的工艺参数为：衬底温度大于250℃，通入氩气，腔体压强为2Pa，射频溅射的功率为60W，薄膜厚度为2～2.3μm。

优选地，所述在氯化镉CdCl₂气氛中，对碲化镉CdTe薄膜进行退火处理，包括：

将已沉积上硫化镉CdS薄膜和碲化镉CdTe薄膜的样品放在退火炉中在有氯化镉CdCl₂气氛下进行高温快速退火处理；先在一片磨砂玻璃上滴加氯化镉CdCl₂的甲醇饱和溶液，放在加热台上烘干后，再和样品一起放入退火炉中，通入0.5mL/min的干空气和0.5mL/min的氮气N₂，退火温度为390～440℃，升温时间为100s，保温时间为30～60min。

优选地，所述在碲化镉CdTe薄膜上旋涂碳纳米管的混合溶液，再在干空气中退火形成碳纳米管薄膜，包括：

采用旋涂或刮涂的方法在碲化镉CdTe薄膜上旋涂碳纳米管的混合溶液，再在干空气中退火形成碳纳米管薄膜；

若采用旋涂的方法在碲化镉CdTe薄膜上旋涂碳纳米管的混合溶液，溶液碳管浓度为1mg/ml-2mg/ml，旋涂转速为1500～3500rpm，旋涂时间为40-60s，再在干空气中退火处理，退火温度为120～320℃，退火时间为15min；

若采用刮涂的方法所使用的溶液浓度为5-10mg/ml，利用刮涂设备在同一区域刮涂1-3次，再在干空气中退火处理，退火温度为120～320℃，退火时间为15min；

所述的碳纳米管的混合溶液为碳纳米管、分散剂和溶剂的混合溶液，包括：将碳纳米管粉末和分散剂混合后加入溶液中，再超声分散得到碳纳米管的混合溶液；碳纳米管为95％半导体性的碳纳米管粉末，分散剂为聚间亚苯亚乙烯衍生物PmPV粉末，所述溶剂为1，2-二氯乙烷DCE，在放在超声清洗仪中超声分散，超声功率为80W，超声时间为1h，涂层厚度50-200纳米；若采用刮涂的方法，所需的溶液需在上述溶剂中加入5-10mg/ml的3-己基噻吩的聚合物P3HT的氯苯溶剂来增加溶液粘稠度，室温下粘度在300-500mPa·s，涂层厚度0.5-1微米；

在碳纳米管薄膜上沉积的金属电极为金Au电极或镍电极，包括：采用电子束蒸发的方法在碳纳米管薄膜上沉积金Au电极或镍电极，电极厚度为40nm。

对应于上述方法实施例，如图2所示，为本实用新型实施例一种碲化镉太阳能电池示意图，所述碲化镉太阳能电池包括：

掺氟的二氧化锡FTO导电玻璃1；

硫化镉CdS薄膜2，沉积在掺氟的二氧化锡FTO导电玻璃1上；

碲化镉CdTe薄膜3，沉积在硫化镉CdS薄膜2上；

碳纳米管薄膜4，沉积在碲化镉CdTe薄膜3上；

金属电极5，沉积在碳纳米管薄膜4上。

优选地，所述硫化镉CdS薄膜为n型硫化镉CdS薄膜；

所述硫化镉CdS薄膜采用磁控溅射方法沉积在二氧化锡FTO导电玻璃上；采用磁控溅射方法沉积在二氧化锡FTO导电玻璃上的工艺参数为：通入氧气和氩气，腔体压强为3Pa，射频溅射的功率为40W，薄膜厚度为80～100nm；所述二氧化锡FTO导电玻璃层的方块电阻是15Ω，透过率在80％-90％。

优选地，所述碲化镉CdTe薄膜为p型碲化镉CdTe薄膜；

所述碲化镉CdTe薄膜采用磁控溅射方法沉积在硫化镉CdS薄膜上；采用磁控溅射方法沉积在硫化镉CdS薄膜上的工艺参数为：衬底温度大于250℃，通入氩气，腔体压强为2Pa，射频溅射的功率为60W，薄膜厚度为2～2.3μm。

优选地，所述碲化镉CdTe薄膜，沉积在硫化镉CdS薄膜上后，在氯化镉CdCl₂气氛中，对碲化镉CdTe薄膜进行退火处理，包括：将已沉积上硫化镉CdS薄膜和碲化镉CdTe薄膜的样品放在退火炉中在有氯化镉CdCl₂气氛下进行高温快速退火处理；先在一片磨砂玻璃上滴加氯化镉CdCl₂的甲醇饱和溶液，放在加热台上烘干后，再和样品一起放入退火炉中，通入0.5mL/min的干空气和0.5mL/min的氮气N₂，退火温度为390～440℃，升温时间为100s，保温时间为30～60min。

优选地，所述碳纳米管薄膜，通过在碲化镉CdTe薄膜上旋涂碳纳米管的混合溶液，再在干空气中退火形成，包括：采用旋涂或刮涂的方法在碲化镉CdTe薄膜上旋涂碳纳米管的混合溶液，再在干空气中退火形成碳纳米管薄膜；若采用旋涂的方法在碲化镉CdTe薄膜上旋涂碳纳米管的混合溶液，溶液碳管浓度为1mg/ml-2mg/ml，旋涂转速为1500～3500rpm，旋涂时间为40-60s，再在干空气中退火处理，退火温度为120～320℃，退火时间为15min；若采用刮涂的方法所使用的溶液浓度为5-10mg/ml，利用刮涂设备在同一区域刮涂1-3次，再在干空气中退火处理，退火温度为120～320℃，退火时间为15min；所述的碳纳米管的混合溶液为碳纳米管、分散剂和溶剂的混合溶液，包括：将碳纳米管粉末和分散剂混合后加入溶液中，再超声分散得到碳纳米管的混合溶液；碳纳米管为95％半导体性的碳纳米管粉末，分散剂为聚间亚苯亚乙烯衍生物PmPV粉末，所述溶剂为1，2-二氯乙烷DCE，在放在超声清洗仪中超声分散，超声功率为80W，超声时间为1h，涂层厚度50-200纳米；若采用刮涂的方法，所需的溶液需在上述溶剂中加入5-10mg/ml的3-己基噻吩的聚合物P3HT的氯苯溶剂来增加溶液粘稠度，室温下粘度在300-500mPa·s，涂层厚度0.5-1微米；

在碳纳米管薄膜上沉积的金属电极为金Au电极或镍电极，包括：采用电子束蒸发的方法在碳纳米管薄膜上沉积金Au电极或镍电极，电极厚度为40nm。

上述技术方案具有如下有益效果：用碳纳米管薄膜替代铜Cu作为背电极材料，由于碳纳米管的功函数通常在4.5eV～5.0eV，从而可以降低与碲化镉CdTe薄膜的肖特基势垒，优化背电极的接触，进一步提高了碲化镉CdTe电池的光电转换效率，由于碳纳米管层具备很好的热稳定性，从而电池不会像铜Cu掺杂做背电极那样出现效率减退，延长使用寿命；利用旋涂的方法制备碳纳米管薄膜，制备方法简单，降低制造成本。

针对现有技术中碲化镉太阳能电池已有的制备工艺所存在的不足，本实用新型实施例通过旋涂的方法制备均匀的碳纳米管薄膜来替代传统碲化镉电池中铜作为背电极材料，薄膜表面的SEM如图3所示，采用碳纳米管薄膜来替代传统碲化镉电池中铜，可以优化背电极接触和提高电池的稳定性。

参照图2所示类似，为应用本实用新型应用实例所述方案制备的碲化镉太阳能电池器件结构图，其中包括：透明导电玻璃1、n型硫化镉CdS薄膜2、p型碲化镉CdTe薄膜3、碳纳米管薄膜4、金Au电极5，其制备方案为：首先，选择方块电阻是15Ω，透过率在80％-90％的FTO玻璃作为衬底材料，该衬底材料的透明衬底上具有透明导电层，具体步骤包括：1、利用磁控溅射法沉积80-100nm厚的CdS。2、通过磁控溅射制备2～2.3μm厚的CdTe。3、在CdCl₂的气氛下薄膜高温快速退火。4、利用旋涂法沉积碳纳米管薄膜。5、利用电子束蒸发方法制备40nm厚的Au电极。

以下通过应用实例详细说明：

1、选择方块电阻是15Ω，透过率在80％-90％的FTO导电玻璃作为衬底材料,实验前衬底分别在去离子水，丙酮，酒精中超声15min。

2、n型硫化镉CdS薄膜的制备

将FTO玻璃放在磁控溅射腔室的固定架上，待气压抽到10^-4Pa以下通入氧气和氩气，调节气压为3Pa，之后打开射频电源，功率为40W，预溅射2min后，开始溅射得到厚度为80-100nm CdS薄膜。

3、p型碲化镉CdTe薄膜的制备

在磁控溅射腔室中将衬底移动到CdTe靶正对面，待气压抽到10^-4Pa以下打开衬底加热，加热1h后，腔体通入氩气，调节气压为2Pa，之后打开射频电源，功率为60W，预溅射2min后，开始溅射得到的厚度为2～2.3μm CdTe薄膜。

4、在CdCl₂的气氛下薄膜高温快速退火

先在一片干净的磨砂玻璃上滴加氯化镉CdCl₂的甲醇饱和溶液，放在加热台上烘干后，再和样品一起放入退火炉中，用1mm厚的玻璃将CdCl₂表面和CdTe表面分开，后通入0.5mL/min的干空气和0.5mL/min的氮气N₂，设置退火温度为390～440℃，升温时间为100s，保温时间为30～60min，开始退火，待到温度降到常温后，取出样品。

5、碳纳米管薄膜的制备

(1)碳纳米管溶液的配制

将95％半导体性的碳纳米管粉末和PmPV粉末按质量比1:4混合后加入适当的1，2-二氯乙烷DCE溶液中，碳纳米管溶液浓度为0.01mg/ml，在放在超声波清洗机中超声分散，超声功率为80W，超声时间为1h，从而得到分散均匀的溶液。

(2)完成碳纳米管薄膜的制备

将退完火的样品固定在匀胶机上后，将配制好的碳纳米管溶液缓慢滴加到CdTe薄膜表面，旋涂转速为1500～3500rpm，旋涂时间为60s，再在干空气中退火处理，退火温度为120～320℃，退火时间为15min。

6、金Au电极的制备

采用电子束蒸发的方法，在碳纳米管表面沉积40nm厚的金。

实验效果：进行太阳能电池的性能测试，在AM1.5，100mW/cm²标准光强的照射下太阳电池样品的开路电压0.73V，短路电流密度22.97mA/cm²，填充因子64.20％，效率为10.80％。

如图3所示，为本实用新型应用实例制备的碲化镉太阳能电池结构中碳纳米管薄膜的表面SEM图。如图4所示，为本实用新型在AM1.5G光照下，应用实例的碲化镉太阳能电池的伏安特性曲线。图4的太阳能电池伏安特性曲线中，表征太阳能电池性能的参数主要有开路电压(V_OC)、短路电流密度(J_SC)、填充因子(FF)及电池的光电转换效率(PCE)。太阳能电池正负极不接负载即电流i＝0时输出的电压为开路电压(V_OC)；太阳能电池在正负极短路即电压u＝0时单位受光面积的工作电流为短路电流密度(J_SC)；填充因子(FF)是单位受光面积的最大输出功率P_max与J_scV_oc的比值，FF越大，太阳能电池的性能越好；光电转换效率是单位受光面积的最大输出功率P_max与入射的太阳光能量密度P_in的百分比。

以上通过应用实例详细介绍了本实用新型所提供的采用碳纳米管作为背电极的碲化镉太阳能电池。通过旋涂法得到均匀的碳纳米管薄膜，SEM如图3所示。其应用实例制得的碲化镉电池，短路电流密度和转换效率也很高，如图4所示。

综上可见，采用碳纳米管来替代铜Cu作为背电极材料，也能取得高电池效率，由于碳纳米管的热稳定，从而电池有更好的稳定性和更长的使用寿命；采用旋涂法制备碳纳米管薄膜，制备方法简单，从而降低制备成本。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本实用新型处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本实用新型单独的优选实施方案。

为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本实用新型，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述碲化镉太阳能电池包括：

掺氟的二氧化锡FTO导电玻璃；

硫化镉CdS薄膜，沉积在掺氟的二氧化锡FTO导电玻璃上；

碲化镉CdTe薄膜，沉积在硫化镉CdS薄膜上；

碳纳米管薄膜，沉积在碲化镉CdTe薄膜上；

金属电极，沉积在碳纳米管薄膜上。

2.如权利要求1所述碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述硫化镉CdS薄膜为n型硫化镉CdS薄膜；

所述硫化镉CdS薄膜采用磁控溅射方法沉积在二氧化锡FTO导电玻璃上。

3.如权利要求1所述碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述碲化镉CdTe薄膜为p型碲化镉CdTe薄膜；

所述碲化镉CdTe薄膜采用磁控溅射方法沉积在硫化镉CdS薄膜上。

4.如权利要求1所述碲化镉太阳能电池，其特征在于，

在碳纳米管薄膜上沉积的金属电极为金Au电极或镍电极，包括：采用电子束蒸发的方法在碳纳米管薄膜上沉积金Au电极或镍电极，电极厚度为40nm。