[发明专利]一种基于单晶硅片衬底的CdS/CdTe太阳电池

说明书

本发明公开了一种基于单晶硅片衬底的CdS/CdTe太阳电池的结构。通过选用电阻率为0.2Ωcm～30Ωcm的p‑型单晶硅片做衬底，然后在其一面依次沉积CdTe薄膜、n‑型CdS窗口层薄膜以及透明导电氧化物（TCO）薄膜，在其另一面依次沉积p‑型ZnTe:Cu背接触层薄膜和金属电极，最终形成基本结构为TCO/CdS/CdTe/Si/ZnTe:Cu/金属的异质结薄膜太阳电池。本发明所提出的新结构太阳电池，具有转换效率高，成本低廉的特点，同时这种电池与太阳光谱匹配好且光谱响应范围宽300nm～1100nm，适合于紫外‑可见‑红外环境的应用。

技术领域

本发明属于薄膜太阳电池的下层配置结构设计，特别涉及基于单晶硅片衬底的CdS/CdTe异质结薄膜太阳电池。

背景技术

CdTe薄膜太阳电池具有成本低廉，转换效率高，制作工艺简单的特点，目前小面积电池的转化效率已超过22%。进一步提高电池转换效率的途径是优化电池的结构，拓展太阳电池在长波和短波上的响应。CdS窗口层的禁带宽度为2.4eV，对波长小于500nm的太阳光有较大的吸收，会降低太阳电池在短波上的响应。根据朗伯-比尔定理，减少CdS窗口层的厚度能够降低对短波的吸收，从而让更多的太阳光到达电池的吸收层，改善电池的短波响应。但CdS减薄后会带来包括电池旁路电阻减少等诸多科学问题，需要使用更合适的透明导电膜作前电极，还得在CdS与前电极之间引入缓冲层，以避免这些负面的影响。受制于吸收层CdTe的禁带宽度1.5eV，目前CdTe薄膜太阳电池的长波响应均未超过900nm。根据太阳光的光谱分布，如果能够拓展长波响应到1110nm，电池的短路电流理论上可增加35～40%。因此，需要在CdTe薄膜的背后引入能隙约为1.12eV的半导体，对长波进行有效的响应。单晶硅的带隙为1.1eV，内部的电子与空穴寿命较长，且有较大的迁移率，如果能与CdTe组合，可以形成一种新的宽光谱响应的太阳电池；并且以单晶硅片做衬底，能够优化CdTe薄膜太阳电池的制作工艺，降低技术难度，适用于现成的太阳电池制造设备。

本发明基于以上的构想和技术背景，全面考察了相关半导体材料的电子学性质与结构性能匹配，在调研并分析了各种材料体系集成的可行性基础上，提出了一种结构为TCO/CdS/CdTe/Si/ZnTe：Cu/金属的异质结薄膜太阳电池，并在透明导电薄膜和CdS窗口层之间，CdS层与CdTe层之间以及CdTe层与单晶硅片之间引入各种缓冲层，以优化器件结构，拓展光谱响应范围，改善太阳电池的性能。

发明内容

本发明的目的，是设计出一种能够改善太阳光谱响应的太阳电池新结构，提高太阳电池的转换效率。

本发明通过如下技术方案予以实现：

一种基于单晶硅片衬底的CdS/CdTe太阳电池，其结构特征在于包括以下步骤：

A、采用厚度为80微米～240微米，电阻率为0.2Ωcm～30Ωcm的p-型单晶硅片做衬底，使用前先用浓度为1wt%～15wt%的氢氟酸溶液清洗单晶硅片表面，去除表面的SiO₂层；

B、将步骤A获得的衬底放置在真空腔室内，采用一定的技术，比如近空间升华在衬底的一面沉积出厚度为0.5微米～5微米的CdTe薄膜；

C、将步骤B获得的薄膜进行后处理，比如采用Cl^-气氛，温度为300℃～500℃，在空气中处理15～60分钟，获得导电类型为弱n-型至p-型，即费米能级与导带底的能量差大于0.5eV的性能优良的CdTe薄膜；

D、将步骤C获得的CdTe薄膜进行表面改性，以去除表面的氧化层，在薄膜表面形成富碲层，比如采用溴甲醇溶液（溴0.01ml～0.5ml+甲醇100ml）在室温下对退火后的CdTe薄膜表面进行腐蚀，时间为1～10秒左右，再用甲醇冲洗干净；

E、将步骤D获得的薄膜放置在真空腔室内，采用一定的技术，比如磁控溅射在CdTe薄膜表面沉积出厚度为1nm～150nm的n-型CdS窗口层；