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碲化镉薄膜太阳能电池及其溅射制备

3上海海事大学青年骨干教师培养项目(No.025063) 张榕:通信作者 Tel :021********* E 2mail :rongzhang @碲化镉薄膜太阳能电池及其溅射制备3张 榕1,周海平2,陈 红3(1 上海海事大学基础科学部,上海200135;2 四川师范大学物理与电子工程学院,成都610066;3 上海交通大学物理系凝聚态光谱与光电子物理实验室,上海200030) 摘要 简单综述了化合物半导体碲化镉太阳能电池的发展历史、基本结构和核心问题,在此基础上重点总结了用溅射法制备的多晶碲化镉薄膜太阳能电池的优缺点、面临问题、发展现状,展望了它的发展趋势,并讨论了用溅射法制备渐变带隙碲化镉薄膜太阳能电池以提高转化效率的可能性。

关键词 碲化镉 薄膜太阳能电池 溅射法中图分类号:TM914.42An Overvie w of CdT e Thin Film Solar Cells and R elevant Sputtering F abricationZHAN G Rong 1,ZHOU Haiping 2,C H EN Hong 3(1 Basic Science Department ,Shanghai Maritime University ,Shanghai 200135;2 Department of Physics and Electronic Engineering ,Sichuan Normal University ,Chengdu 610066;3 Laboratory of Condensed Matter Spectroscopy and Opto 2electronic Physics ,Department of Physics ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030)Abstract This article firstly gives a brief overview to the development history ,basic structures and critical is 2sues of compound semiconductor Cd Te 2based solar cells ,then sheds light on the advatages and disadvantages ,current status ,and trend of development of the sputtered polycrystalline Cd Te thin film solar cells.Finally ,it also discusses the possibility to fabricate graded 2bandgap Cd Te solar cells by using the sputtering methodK ey w ords Cd Te ,thin film solar cells ,sputtering0 引言随着当今世界人口和经济的增长、能源资源的日益匮乏、环境的日益恶化以及人们对电能的需求量越来越大,太阳能的开发和利用已经在全球范围内掀起了热潮。

这非常有利于生态环境的可持续发展,造福子孙后代,因此世界各国竞相投资研究开发太阳能电池。

太阳能电池是一种利用光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的器件。

早在1839年,科学家们已经开始研究光生伏特效应,到20世纪40年代中期,太阳能电池的研制取得了重大突破,在单晶硅中发现了称之为Czochralski 的过程。

1954年,美国贝尔实验室根据这个Czochralski 的过程成功研制了世界上第一块太阳能电池,能量转换效率达到4%。

太阳能电池的问世,标志着太阳能开始借助人工器件直接转换为电能,这是世界能源业界的一次新的飞跃。

太阳能电池种类繁多,包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体电池和叠层太阳能电池等。

硅材料是目前太阳能电池材料(即光伏材料)的主流,这不仅因为硅在地壳中含量丰富,而且用它制成的电池转化效率相对较高。

单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率接近25%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。

但是单晶硅太阳能电池制作工艺繁琐,且单晶硅成本价格居高不下,大幅降低成本非常困难,无法实现太阳能发电的大规模普及。

随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其他材料为基础的太阳能电池愈来愈显示出诱人的前景。

目前国际低成本大规模生产技术的研究主要集中在多晶硅、大面积薄膜非晶硅、碲化镉(Cd Te )、铜铟硒(CuInSe 2)太阳能电池,Ⅲ2Ⅴ族化合物半导体高效太阳能电池,非晶硅及结晶硅混合型薄膜太阳能电池等方面。

与单晶硅太阳能电池相比,除多晶硅、砷化镓、铜铟硒、碲化镉等外,其他材料的电池光电转化效率普遍未超过15%。

尽管如此,硅材料仍不是最理想的光伏材料,这主要是因为硅是间接带隙半导体材料,其光学吸收系数较低,所以研究其他光伏材料成为当前的一种趋势。

其中,Cd Te 和CuInSe 2被认为是两种非常有应用前景的光伏材料,目前已经取得一定的进展,但是要将它们大规模生产并与晶体硅太阳能电池抗衡还需要投入大量的人力物力进行研发。

Cd Te 是一种化合物半导体,在太阳能电池中一般作吸收层。

由于它的直接带隙为1.45eV [1],最适合于光电能量转换,因此使得约2μm 厚的Cd Te 吸收层在其带隙以上的光学吸收率达到90%成为可能,允许的最高理论转换效率在大气质量AM1.5条件下高达27%[2]。

Cd Te 容易沉积成大面积的薄膜,沉积速率也高。

因此,Cd Te 薄膜太阳能电池的制造成本较低,是应用前景较好的一种新型太阳能电池,已成为美、德、日、意等国研发的主要对象。

目前,已获得的最高效率为16.5%(1cm 2),电池模块效率达到11%(0.94m 2)[2~4]。

然而,人们当前对Cd Te 太阳能电池的特点和发展趋势认识很零散,没有一个系统的、整体的了解。

此外,人们对用溅射法制备的多晶碲化镉薄膜太阳能电池的研究现状知之甚少。

本文考查了目前Cd Te薄膜太阳能电池的有关文献,归纳介绍了它的发展历史、基本结构以及核心问题;以及用溅射法制备该类电池的优缺点和面临的问题,展望了其发展趋势。

另外,优化设计渐变带隙的薄膜太阳能电池有利于提高转化效率。

本文也简要讨论了用溅射法制备渐变带隙碲化镉薄膜太阳能电池以提高转化效率的可能性。

1 碲化镉太阳能电池的发展历史、基本结构和核心问题 早在20世纪50年代中期,Jenny和Bube以及Kroger和Nobel就对碲化镉单晶体电子能带特性进行了阐述;而后在1959年,Nobel确定了Cd2Te相平衡、缺陷和Cd Te半导体性质之间的关系,这一关系后来又被其他的研究组进一步的完善。

基于n型Cd Te单晶和多晶膜太阳能电池在20世纪60年代早期被制备出来,它们是用Cd Te膜表面和铜酸盐溶液反应来形成Cd Te/Cu2Te异质结。

20世纪60年代中期,首次制成了基于p型Cd Te单晶和蒸镀而成的n型CdS膜的光伏电池,并且在70年代中期取得了中等大小的转化效率;那时,用单晶Cd Te制成的电池效率约10%,而制成的全多晶薄膜Cd Te/CdS 电池的效率则更高。

在这段时期,Bonnet在1972年也提出了Cd Te/CdS电池一些需要解决的基本问题如掺杂效率、突变结和缓变结、活性或非活性晶界以及低阻电极等。

到80年代早期,人们已经用各种制备方法制成了转化效率接近或超过10%上层配置(superstrate configuration)的Cd Te/CdS电池[5]。

到2004年为止,Cd Te电池转化效率最高为16.5%,且属于上层配置型。

玻璃是最常用的衬底材料,不过最近人们在努力研究发展基于聚酰亚胺(polyimide)和金属箔片的轻便型电池。

基于玻璃衬底的Cd Te电池效率一般在10%~16%,依赖于制备方法的多样性。

而在金属和聚酰亚胺衬底上的Cd Te轻便型电池效率分别已经达到7.8%和11%[6]。

这种轻便型太阳能电池具有高的特定功率(specific power,单位是W/kg),因而具有很多潜在的用途。

Cd Te制成多晶薄膜电池的优点除了带隙(1.45eV)接近于高效率电池的理想带隙因而光学吸收性能好外,另一个优点就是制备方法多样,有原子层外延、电沉积(electro2deposition)、无电沉积、喷雾法、近距离升华法(closed2space sublimation)、化学气相沉积、热壁蒸镀、丝网印刷、电子束蒸镀、激光消融、热蒸镀、分子束外延、金属有机物化学气相沉积和溅射法。

按照制备温度来分,像近距离升华法这样制备温度高于500℃的可以归为高温过程;而像电沉积、溅射法制备温度低于450℃可以归纳为低温过程[6]。

所有这些生长方法中,电沉积和近距离升华法是最常用的方法,到目前为止,长在玻璃衬底上的效率最高的Cd Te电池都是由这两种方法制备而成的[7]。

与多晶薄膜Cu(In,Ga)Se2(简称CIGS)太阳能电池结构类似,目前的多晶薄膜Cd Te电池的结构大致分为两种[6]:上层配置和底层配置(substrate configuration)(如图1所示)。

通常,上层配置的Cd Te电池比底层配置的转化效率高,因而适合作低成本电池模块(modules)以及能够将整个太阳光谱用于光伏转化的高效串叠型电池(tandem solar cells)。

在上层配置的电池中,Cd Te/CdS层一般长在透明导电的氧化物(TCO)覆盖的玻璃衬底上。

在生长温度低于550℃时,这些玻璃可选用廉价的钙钠玻璃(soda2lime glass);在高的生长温度(550~600℃)下,可以选用无碱玻璃(alkali2f ree glass)。

在Cd Te和CdS制备温度较低时,锡化铟氧化物(ITO)由于有高的光学透过率适合作前电极材料;在Cd Te和CdS制备温度较高时,氧化锡是最好的前电极材料,因为它本身的制备温度需要450~550℃[8]。

由于CdS带隙不是足够宽(2.4eV),在510nm 以下有明显的光学吸收;为了使光被Cd Te充分吸收,CdS层一般比较薄,约0.1μm,而CdT e层一般为2~10μm厚。

背电极材料可以各种各样,因为它们不需经历连续的高温薄膜层制备过程。

图1 CdT e电池的上层和底层两种配置的截面示意图Fig.1 Schem atic cross2section of“superstrate”and“substrate”conf igurations for CdT e thin f ilm solar cells在底层配置中(见图1),Cd Te长在金属箔片或者金属覆盖的玻璃衬底上。

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