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

（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