10001659_CdSeXTe1-X 薄膜性质研究及其在CdTe太阳电池中的应用-solarbe文库

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（学术论文交流主题B 薄膜太阳电池） CdSeXTe1-X 薄膜性质研究及其在 CdTe 太阳电池中的应用李春秀，武莉莉，王佛根，陈蕴璐，冯良桓四川大学材料科学与工程学院摘要CdSe XTe1-X 薄膜吸收系数大，禁带宽度与太阳光谱匹配较好且性质稳定，这些特点使得它在光伏应用领域具有较大的吸引力。本文通过磁控共溅射法在石英玻璃衬底上制备了不同组分的 CdSeXTe1-X 薄膜（0＜X＜1），并对其结构、光学性质进行表征。XRD 结果表明，本实验中制备的所有组分 CdSeXTe1-X 薄膜均为多晶结构且具有六方纤锌矿结构。紫外可见分光光度计结果表明，当 X0.45 时，CdSe XTe1-X 薄膜的禁带宽度取得最小值，为 1.23 eV。在 CdS 和 CdTe 之间加入一层 CdSe0.45Te0.55 薄膜，CdTe 太阳电池长波段光谱响应增强。 1 前言目前，CdTe 太阳电池的最高效率为 22.1，由美国 First Solar 公司制备并经过美国国家可再生能源实验室认证[1]。典型高效的 CdTe 太阳电池使用 n-型 CdS 作为窗口层，n- 型 CdS 窗口层和 CdTe 吸收层形成结特性良好的异质结[2]。由于器件制备过程中存在高温过程，CdS 会向 CdTe 层中扩散并形成 CdTe1-xSx 薄膜。由于 CdS 在 CdTe 中的溶解度比较低[3]，只有少量的 S 可以扩散进入 CdTe 层，因而长波段光子不能够被有效吸收。具有合适 X 值的 CdSeXTe1-X 薄膜具有比 CdTe 薄膜更小的禁带宽度，它可以吸收更长波段的光子。本文采用射频磁控共溅射法在石英玻璃衬底上制备了不同组分的 CdSeXTe1-X 薄膜（0＜X＜1），并对其进行 X 射线衍射（XRD）、紫外可见分光光度计表征。通过透过谱计算了不同组分 CdSeXTe1-X 薄膜的禁带宽度，并将具有最小禁带宽度值的 CdSeXTe1-X 薄膜应用到 CdTe 太阳电池中，增强了器件长波段光谱响应。 2 实验采用 CdSe 和 CdTe 双靶共溅射的方法,通过控制 CdSe 和 CdTe 靶材的溅射功率来调控两者的溅射速率,制备出不同不同组分的 CdSeXTe1-X 薄膜，衬底温度为室温，溅射气氛为 Ar，溅射气压为 2.0 Pa。用 XRD（丹东射线集团有限公司 DX-2600）及紫外可见分光光度计（PerkinElmer Lambda 950）对薄膜进行表征，从而得到薄膜结构及透过谱。CdTe 太阳电池在商业化的 SnO2 F（FTO）玻璃衬底上制备而成，购买自 NSG 公司。首先，用化学水浴法在 FTO 玻璃衬底上沉积一层厚度为 60 nm 的 CdS 层，接着在 CdS 衬底上制备不同厚度的 CdSe0.45Te0.55 薄膜，之后进行 CdTe 薄膜沉积。CdTe 薄膜采用近空间升华法制备，衬底温度为 550℃，厚度约为 6 μm。CdTe 薄膜制备完成后，对器件进行 CdCl2 退火，退火温度为 382 °C，退火时间为 35 分钟。之后，将 CdTe 薄膜背表面在体积浓度为 0.2的溴甲醇溶液中腐蚀 4 秒；最后，采用热蒸发法在腐蚀后的 CdTe 表面蒸镀一层厚度约为 100 nm 的金电极，通过掩模法获得面积为 0.24 cm2 的器件。 3 结果与讨论 3.1 CdSeXTe1-X 薄膜的结构表征图 1 为不同组分 CdSeXTe1-X 薄膜的 XRD 图谱。从图 1 中可以看出，当 X1 时，即为 CdSe 薄膜时，薄膜为非晶结构；当 X0.25, 0.45, 0.54 时，CdSe XTe1-X 薄膜为纤锌矿结构，沿（002）方向高度择优，且随着 X 值的增大，（002）方向峰强增强。当 X0 时，即为 CdTe 薄膜时，薄膜为面心立方结构，出现（111）和（220）方向衍射峰。 3.2 CdSeXTe1-X 薄膜的光学性质表征图 2 为不同组分 CdSeXTe1-X 薄膜的透过图谱。从图中可以看出，当光子波长在 200 nm- 500 nm 之间变化时，CdSe XTe1-X 薄膜几乎可以吸收所有光子。根据唐克公式计算出不同组分 CdSeXTe1-X 薄膜的禁带宽度，当 X 从 0 增加到 1 时，CdSe XTe1-X 薄膜禁带宽度先减小后增加，在 X0.45 时取得最小值，为 1.23 eV。图 1 不同组分 CdSeXTe1-X 薄膜的 XRD 图谱图 2 不同组分 CdSeXTe1-X 薄膜的透过谱 3.3 CdSe0.45Te0.55 薄膜厚度对 CdTe 太阳电池性能的影响通过对 CdSeXTe1-X 薄膜性质的研究，我们在 CdS 窗口层和 CdTe 吸收层之间加一层 CdSe0.45Te0.55 薄膜以提高 CdTe 太阳电池长波光谱响应。表 1 给出了具有不同厚度 CdSe0.45Te0.55 薄膜的 CdTe 太阳电池的性能参数，表中的短路电流密度（ JSC）是根据 QE 曲线计算而得。这些结果表明，在 CdS 窗口层和 CdTe 吸收层之间引入一层 CdSe0.45Te0.55 薄膜可以有效地提高器件的短路电流密度；随着 CdSe0.45Te0.55 薄膜厚度从 0 nm 增加到 267 nm，测得器件吸收层禁带宽度从 1.471 eV 下降到 1.425 eV，这表明 CdSe0.45Te0.55 薄膜可以增强器件长波光谱响应，这可以在图 3 中直接看出。从表 1 可以看出，含 CdSe0.45Te0.55 薄膜器件的开路电压低于不含 CdSe0.45Te0.55 薄膜器件的，开路电压的降低主要是由于吸收层禁带宽度的降低所导致。图 3 具有不同厚度 CdSe0.45Te0.55 薄膜器件的 QE 图谱表 1 具有不同厚度 CdSe0.45Te0.55 薄膜器件性能参数 CdSe0.45Te0.55 thickness nm Eff VOC V JSC mA/cm2 0 9.87 0.770 21.31 60 8.11 0.701 21.70 80 9.24 0.724 22.05 120 9.32 0.727 22.27 160 8.83 0.732 21.30 200 9.55 0.753 21.71 267 8.08 0.708 20.38 4 结论本文研究了不同组分 CdSeXTe1-X 薄膜的结构和光学性质，在 X0.45 时 CdSeXTe1-X 薄膜禁带宽度取得最小值，为 1.23 eV；CdSe 0.45Te0.55 薄膜可以吸收波长为 1000 nm 的光子。将不同厚度 CdSe0.45Te0.55 薄膜应用到 CdTe 太阳电池中，增加了器件的长波光谱响应。由于器件制备过程中 CdSe0.45Te0.55 层和 CdTe 层的互扩散，随着 CdSe0.45Te0.55 薄膜厚度增加，有效吸收层禁带宽度从 1.471 eV 降低到 1.425 eV。参考文献 [1] http//investor.firstsolar.com/releasedetail.cfmReleaseID956479 [2] Li J, Diercks D R, Ohno T R, et al. Controlled activation of ZnTeCu contacted CdTe solar cells using rapid thermal processing[J]. Solar Energy Materials Solar Cells, 2015, 133208-215. [3] Ohata K, Saraie J, Tanaka T. PHASE-DIAGRAM OF CDS-CDTE PSEUDOBINARY SYSTEM[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 1973, 1281198-1204. 作者简介通讯作者武莉莉， Email wulily77163.com 主要研究方向新能源材料与器件通信地址四川省成都市一环路南一段24号，四川大学材料科学与工程学院邮政编码610065