[发明专利]一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜太阳能电池领域，具体涉及一种碲化镉太阳能电池的制备方法。

背景技术

碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池是一种以p型CdTe和n型CdS的异质结为基础的薄膜太阳能电池。近年来，CdTe薄膜太阳能电池以其光电转化率高、生产成本低、高稳定性、吸收光谱宽、生命周期结束后可回收等优点，倍受中外关注。

CdTe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。一般标准的CdTe薄膜太阳能电池由五层结构组成，如附图1所示，其中箭头方向为光照方向。

第一层是沉积在透明衬底上的透明导电氧化物（英文名称为Transparent and Conductive Oxide，简称TCO）层，主要起透光和导电的作用；第二层是CdS窗口层，该层为n型半导体；第三层是CdTe吸收层，为p型半导体，该层与窗口层的n型CdS形成p-n结，第四层是在CdTe吸收层上面沉积的背接触（英文名称为back contact）层，该层的作用是降低CdTe和金属电极的接触势垒，使金属电极与CdTe形成欧姆接触；最后沉积在背接触层上的是背电极（英文名称为back electrode）层，该层为金属材料层，与TCO层通过外电路连接，用于将电流引出。具有上述结构的CdTe薄膜太阳能电池在工作时，当有光穿射透明衬底和TCO层照射到p-n结，且光子能量大于p型CdTe禁带宽度时，吸收层价带中的电子获得能量跃迁到导带，同时在价带中产生空穴，在p-n结附近会产生电子-空穴对，产生的非平衡载流子由于n型半导体到p型半导体形成的内建电场作用向空间电荷区两端漂移从而产生光生电势。将p-n结与外电路导通时，电路中会出现电流。

由于CdTe具有很高的功函数(～5.5eV)，与大多数的金属都难以形成良好的欧姆接触，同时CdTe存在自动补偿效应，不易实现重掺杂，所以也不能通过量子隧道效应实现欧姆接触。因此，要提高CdTe薄膜太阳电池的性能和实现规模化生产，必须解决CdTe的背接触问题。现有技术中，一般采用先在CdTe薄膜表面形成富Te层（Te/Cd>1），再沉积高掺杂的背接触材料的方法解决。富Te层是一层高掺杂的P⁺型表层，能够显著降低载流子传输的势垒和CdTe薄膜与金属背电极的接触电阻，强化了CdTe与金属背电极之间的欧姆接触。因此降低了整个电池中的串联电阻，继而提高了电池效率。

富Te层常采用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD），如蒸镀、溅射、升华等方法制备。然而，由于富Te层很薄，通常在5-500nm之间，利用CVD、蒸镀、升华等方法很难控制富Te层的厚度。溅射虽然可以形成较薄的膜层，但是，Te靶材成品率低，溅射生产时Te利用率很低，导致稀有材料Te的浪费，因此溅射法也不适于批量生产。

富Te层的另一种常用制备方法是化学刻蚀法，即用化学溶液去除CdTe膜层中的Cd，留下了富Te的膜层。化学蚀刻方法由来已久并且应用广泛，但是，化学蚀刻法具有重复性差的缺点，所形成富Te层里的Te含量具有一定的随机性，化学溶液和CdTe薄膜表面微小的差异，都可导致不同的蚀刻结果，表面形貌在化学蚀刻后的改变以及晶界中剩余蚀刻溶液对器件性能的作用都有待进一步研究，所以化学蚀刻容易在实验室里实现，但不适于大规模工业化生产。

电化学沉积技术工艺简单、原材料利用率高、重复性好，在CdTe半导体薄膜制备方面具有非常好的应用前景，而且1991年《材料科学进展》中报道的《电沉积CdTe半导体薄膜中Cd和Te含量的极谱分析》（1991，5（6）:494-497）中提到：在电化学沉积制备CdTe薄膜的过程中可以通过改变沉积电位来改变CdTe薄膜中Cd与Te原子数的比例。

如果将电化学沉积技术应用到富Te层的制备中，可以想到两种方法：一是通过沉积电位的调节，在CdS层上直接电沉积CdTe层和富Te层；二是在进行热处理后的CdTe层上电沉积富Te层。