[发明专利]超薄石墨片作衬底的碲化镉太阳电池

说明书

一、所属技术领域

本发明所属领域为新能源材料与器件领域。

二、背景技术

尽管传统体硅太阳电池量产效率达到15％～17％，但是只能制备出刚性衬底组件，因而限制了其使用范围。薄膜太阳电池不但可以制备成刚性衬底组件，还可以采用柔性材料作衬底而制备成可变形的柔性组件。柔性薄膜太阳电池组件具有重量轻、可折叠、卷曲的特点，可以贴附在异型曲面使用。在便携式能源、建筑物集成能源、长期滞空的大型空间飞行器能源等领域，柔性薄膜太阳电池组件具有突出的应用优势。

但柔性碲化镉薄膜太阳电池的制备存在如下困难：(1)如使用聚合物薄膜作为衬底。由于碲化镉薄膜通常需要在含氯气氛中进行后处理，处理条件为360～450℃，30～90分钟。常规的聚合薄膜不能在这么长的时间内承受如此高的温度。能够短期耐受较高温度的一些聚酰亚胺薄膜，其可见光透过率又不到80％，影响了高效率器件的制备；(2)如使用金属衬底。因为金属衬底不透光，电池结构需要采用下支撑衬底的方式，即衬底与碲化镉薄膜接触，而不是与透明导电薄膜接触，入射光首先到达透明导电薄膜，依次经过窗口层、吸收层后，才到达衬底。由于碲化镉的电子亲合势为4.3eV，禁带宽度为1.46eV，p型碲化镉层的费米能级通常距离价带顶0.2～0.4eV，其功函数高达5.36eV～5.56eV。这要求用作衬底金属材料的功函数高于5.36eV，才不会形成阻碍空穴向背电极输运的肖特基结。金属材料中只有铂的功函数高于5.36eV，但使用铂作衬底成本极高，不可行。此外，常规金属材料抗酸碱腐蚀性能低，也限制了金属衬底在碲化镉薄膜太阳电池上的应用。

在许多半导体器件制备工艺中通过形成隧道结获得欧姆特性电极。对于P型半导体/金属结，耗尽区宽度随半导体层掺杂浓度的增加而变窄。半导体层掺杂浓度足够高时，耗尽区宽度将足够窄，使空穴以隧道输运方式从半导体层到达金属层，实现p型半导体与金属层之间的欧姆接触。但是，由于存在自补偿效应，不能实现碲化镉的重掺杂。因此，对于玻璃衬底的碲化镉薄膜太阳电池，通常在碲化镉上制备一重掺杂的过渡层，该过渡层与碲化镉的界面应不存在阻碍空穴输运的势垒，然后再沉积金属背电极，获得欧姆接触背电极。ZnTe:Cu、CuxTe等均可作为有效的过渡层。

三、发明内容

本发明的目的就是寻找一种柔性衬底材料，并设计适合该材料的碲化镉薄膜太阳电池结构和制备工艺。

发明的内容为：使用超薄石墨片作为碲化镉薄膜太阳电池的柔性衬底材料，电池结构为“超薄石墨片/p-CdTe/n-CdS/TCO/Al(栅状)”。

厚度足够薄时，石墨片可进行一定程度的弯曲。本发明设计石墨片厚度50～500微米。

石墨的熔点高于1000℃，可以满足碲化镉薄膜制备及后处理时的高温要求。石墨抗酸碱腐蚀性能好，可以耐受进行后处理时的含氯气氛而不变质。

石墨的电导率高达10⁶(Ωcm)^-1，但功函数只有5.0eV。为了实现石墨衬底与碲化镉层之间的欧姆接触。本发明在超薄石墨片上沉积一层厚度为50～200纳米的铜。沉积了铜的超薄石墨片在200～300℃下处理20～40分钟。目的是让铜扩散进入石墨而在石墨片表面形成一掺铜的石墨层。

然后在超薄石墨片上掺了铜的一面沉积一层碲，厚度20～100纳米。

之后沉积碲化镉薄膜。在碲化镉的沉积和后处理过程中，碲和掺杂石墨层中的铜相互扩散而形成重掺杂CuxTe层。该重掺杂CuxTe层作为导电石墨衬底与碲化镉之间的过渡层，实现柔性石墨衬底与碲化镉之间的欧姆特性接触。

接着使用干法刻蚀技术去除碲化镉膜面在后处理过程中形成的高阻层，然后依次沉积硫化镉、透明导电薄膜、栅状铝电极，完成柔性碲化镉薄膜太阳电池的制备。

四、具体实施方式

实施例：在50～500微米厚的超薄石墨片上，使用溅射技术制备一层50～200纳米厚的铜薄膜，然后在200～300℃下处理20～40分钟。用该掺铜超薄石墨片作为衬底，沉积一层20～100纳米厚的碲，制备技术为溅射或真空蒸发。然后再使用真空蒸发、近空间升华或磁控溅射技术沉积一层碲化镉薄膜，厚度1～5微米。然后对碲化镉薄膜退火，条件为：常压，360～450℃，30～90分钟。退火气氛为“干燥空气+1％～10％的HCl或氟利昂”。然后使用等离子体刻蚀去除碲化镉薄膜表面约100～200纳米厚的薄层。用溅射技术或真空蒸发技术在碲化镉薄膜表面沉积一层CdS薄膜，厚度100～300纳米。沉积了CdS薄膜的器件在氢气氛中处理10～30分钟，温度400～450℃。最后在CdS表面沉积一层透明导电薄膜，可以是SnO₂:Sb、SnO₂:F、ZnO:Al或ITO，制备方法为溅射技术或化学气相沉积技术，厚度350～650纳米。最后使用丝网印刷技术或掩膜溅射沉积技术在透明导电薄膜表面制备一层栅状铝电极，厚度300～2000纳米。得到超薄石墨片作衬底碲化镉薄膜太阳电池。