10001585_宽光谱高效率碲化镉薄膜太阳电池研究与制备-solarbe文库

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宽光谱高效率碲化镉薄膜太阳电池研究与制备沈凯，欧炽柱，黄泰郎，麦耀华（暨南大学，新能源技术研究院，510632）摘要针对宽光谱响应 CdTe 薄膜太阳电池的结构设计和器件制备，本研究采用全溅射工艺制备复合前电极缓冲层，采用近空间升华法制备 CdTe 薄膜，得到基于 Glass/FTO/MgZnO/CdS/CdSe/ CdTe/ZnTeCu/Au 结构的太阳电池。通过对前电极缓冲层薄膜厚度/组分、制备条件，以及后续 CdTe 生长和热处理工艺进行调控，有效拓宽了电池的光谱响应，同时保持了优异的 p-n 结特性。研究 ZnTeCu 背接触结构和背接触热处理对背接触势垒和器件性能的影响。通过优化制备工艺，获得了 AM1.5 条件下认证转换效率为 16.92的 CdTe 薄膜太阳电池。关键词CdTe；缓冲层；太阳电池；宽光谱 1 研究背景与内容 CdTe 薄膜太阳电池作为第二代太阳电池，是目前光伏市场上最具竞争力的太阳电池之一，成本优势显著，极具研究价值和市场潜力。CdTe 太阳电池具有以下特点 1）CdTe 禁带宽度为 1.45 eV，对地面太阳光谱的响应处在理想光谱波段，其单结电池的理论转换效率高达 29；2 ）CdTe 是直接带隙半导体，对可见光的吸收系数高于硅材料 100 倍；3）CdTe 属于Ⅱ- Ⅵ族二元化合物，易生成单相材料，制备技术相对简单；4）CdTe 的功率温度系数低，弱光效应好，综合光电转换效能高。此外，CdTe 不同于元素镉，是镉元素最稳定的化合物存在形态，光伏产品安全环保 [1]。如图 1 所示，从 2011 到 2016 年，小面积 CdTe 太阳电池的最高转换效率由 16.7快速提升至 22.1，电池组件的最高转换效率达到 18.6，首次超过多晶硅光伏组件的效率纪录，相关研究进展被称为是 CdTe 薄膜太阳电池制备技术的 “第四次飞跃” ，受到科研界和产业界的广泛关注。 CdTe 太阳电池制备技术的进步主要包括以下几个方面 [2]1 ）高透光前电极缓冲层结构取代传统的 CdS 窗口层；2）基于 CdTeSe 的梯度带隙结构的吸收层；3）ZnTeCu 背接触结构； 4）高透光玻璃基底及减反射层的应用。相比传统的 CdS/CdTe 太阳电池，新的高效率 CdTe 太阳电池在结构设计和材料选择上均实现了跨越式进步，使得器件在短波和长波段均实现了更好的光谱响应。我们针对新结构 CdTe 太阳电池主流制备技术及其存在的问题，相继开展了前电极缓冲层、包含 CdTeSe 的梯度带隙吸收层、异质结界面及背接触缓冲层的探索研究。 2 研究结果与讨论 2.1 前电极缓冲层结构设计高效率 CdTe 太阳电池参数上最大的变化是短路电流的提升，从25 mA/cm2 提升至30 mA/cm2。在光谱响应上显著改善了由于传统结构 CdS 窗口层导致的短波段光损失。目前，针对前电极缓冲层的结构设计主要包括两种方案 [3]1）直接采用宽禁带半导体层取代 CdS，如 MgZnO、CdSO 等；2）采用包含保护层（或自牺牲层）的复合前电极缓冲层结构减薄 CdS 厚度。我们着重研究了 MgZnO/CdS/CdSe 复合结构前电极缓冲层，前电极缓冲层各层薄膜采用全溅射工艺进行制备。其中，CdSe 层是作为保护层，也可以称为自牺牲层，在高温沉积 CdTe 及后续进行 CdCl2 激活热处理时，CdSe/CdTe 界面发生互扩散， CdSe 的存在减小了 CdS/CdTe 界面互扩散导致的 CdS 消耗，有利于 CdS 较薄时，保证 CdS 薄膜的均匀完整。为减小短波段光吸收，使用的 CdS 薄膜厚度为 2030 nm。同时，采用更优能带匹配的 MgZnO 作为前电极与 CdS 间的缓冲层，避免缓冲层消耗导致的吸收层与前电极直接接触对 p-n 结性能的影响。同时， Se 在 CdTe 中有更大的溶解度，更容易替位 CdTe 中的 Te 形成带隙更小（ 1.39 1.47 eV）的 CdTeSe 三元固溶体， Se 在吸收层沿生长方向的分布形成具有梯度带隙结构的吸收层。基于该前电极缓冲层的 CdTe 太阳电池，短波响应明显改善（如图 1 所示）。图 1 CdTe 太阳电池的 EQE 曲线。 2.2 梯度带隙吸收层及异质结调控对 CdTe 太阳电池而言，短路电流和开路电压具有相对的独立性，即便是对 p-n 结质量差、 Voc 低的电池，也可以具有较大的短路电流和较好的光谱响应，这反映了存在于 CdTe 太阳电池中的异质结界面复合及其对光生载流子传输复合的重要影响。所以，在采用新结构前电极缓冲层改善光谱响应的同时，需要关注异质结界面组分和微结构的变化，并对界面缺陷进行有效的钝化，提高器件性能。 CdTe 太阳电池是顶衬（ superstrate）结构，前电极缓冲层首先制备，前电极缓冲层结构及组分的变化，对吸收层成核生长及异质结界面形成具有基础性影响。我们研究发现，基于 MgZnO/CdS/CdSe 前电极缓冲层的 CdTe 太阳电池性能对 CdS/CdSe 界面，以及后续形成的 CdS/CdTeSe 界面较为敏感。直接制备得到的电池的 Voc 和 FF 较低，分别为700 mV 和60。通过对缓冲层各层薄膜厚度、制备条件及后处理条件，以及 CdTe 生长和后处理条件进行优化， CdTe 太阳电池的二极管特性明显改善，电池的 Voc 和 FF 分别提升至 800 mV 及 70以上。图 2 CdTe 薄膜太阳电池断面 SEM 形貌图。 2.3 低能垒背接触 CdTe 具有较高的功函数 5.7 eV，高于所有金属和石墨背电极的功函数，背电极与 CdTe 薄膜之间欧姆接触的形成是电池获得高转换效率的关键。为获得有效的欧姆接触，提高电池性能，我们先后探索了 Cu-Au、ZnTeCu 及高功函氧化物背接触体系。其中，高效率电池是采用共蒸发法制备的 ZnTeCu 缓冲层背接触结构，系统地研究了溴-甲醇和磷 -硝酸在 CdTe 表面的化学刻蚀过程，ZnTeCu 缓冲层的 Cu 掺杂比例、缓冲层厚度、背接触热处理过程，优化了背接触的电学性能，有效地降低了背接触势垒，提高了电池性能。最终制备得到了 AM1.5 标准光强条件下平均认证效率为 16.92的 CdTe 薄膜太阳电池，结果如图 3 所示。图 3 转换效率为 16.92的 CdTe 太阳电池。 3 结论本研究采用 Glass/FTO/MgZnO/CdS/CdSe/CdTe /ZnTeCu/Au 结构制备宽光谱高效率 CdTe 薄膜太阳电池。MgZnO/CdS/CdSe 前电极缓冲层结构显著拓宽了光谱响应，同时，通过异质结界面组分及界面缺陷调控提高了器件的开路电压和填充因子。改善背接触制备及热处理工艺，系统研究了 Cu 分布对电池性能的影响，获得了 AM1.5 条件下转换效率为 16.92的 CdTe 薄膜太阳电池。参考文献 [1] S. G. Kumar and K. S. R. K. Rao, Energy Environ. Sci. 7 2014 45-102. [2] J. Sites, A. Munshi, J. Kephart, D. Swanson, A. Moore, T. Song, and W. S. Sampath, 33rd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, pp 998-1000. [3] T. Wang, S. Ren, C. Li, W. Li, C. Liu, J. Zhang, L. Wu, B. Li, G. Zeng, Solar Energy 164 2018 180-186. 作者简介沈凯，副研究员，暨南大学新能源技术研究院，主要从事化合物薄膜太阳电池研究。邮箱shenkaijnu.edu.cn.