复合背接触层与背电极的匹配对CdTe太阳电池性能的影响

技术交流复合背接触层与背电极的匹配对CdTe太阳电池性能的影响鄢 强 1, 2* 冯良桓 2 宋慧瑾 2 郑家贵 2 武莉莉 2张静全 2 黎 兵 2 李 卫 2 雷 智 2( 1.核工业西南物 理研究院 成都 610041; 2. 四川大学材料科学与工程学院 成都 610064)Influence of Composite Back Layers and Metallic BackElectrodes on Performance of CdTe Solar CellsYan Qiang1,2* , Feng Lianghuan2, SongHuijin 2, ZhengJiagui2,Wu Lili 2,Zhang Jingquan2, Li Bing2,Li Wei2 and Lei Zhi2(11SouthwestI nstituteof Phy sics,Chengdu610041, China;2. Instituteof SolarEnergyMaterialsandDevices, SichuanUniversity, Chengdu 610064, China)Abstract The influenceof the Ni and Au back electrodeswith or without ZnTe/ZnTe:Cu compositeback layers,grown by electronbeamevaporation,on the performanceof CdTesolar cellswas experimentallystudied.The results showthat the compositeback layerssignificantly affect the electrical propertiesof the CdTe solar cells with Ni and Au backelectrodes.For example,without the compositeback layers,substitution of Ni for Au in the back electrodeof the solarcells results in a poorerfilling factor(FF ) , a higher short circuit current density(J sc) and a lower conversionefficiency( G). In contrast,with the compositeback layers,the substitution leads to a lower FF, but a higher G. In addition, thedark characteristics showthat the ZnTe compositeback layersaccountfor considerablybiggerreductionof the three quan-tities, including its diode characteristics(A ) , its dark saturationcurrentdensity(J 0) andits shunt resistance( Rsh) , of thecellswith Ni back layersthan that of the cells with Au back layers.The increasedphotoelectronemissionpossiblyleadstoahigher Jsc. We concludethat the substitutionof nickel for gold in the back electroderesults in higher conversioneff-iciency andmuch lower cost of the CdTesolar cells.Keywords Complex back contact layer, Metal back electrode,Short circuit current density,Conversionefficiency,CdTesolar cells摘要 本文研究 Ni 和 Au 两种背电极在有、 无 ZnTe/ZnTe:Cu 背接触层时对碲化镉太阳电池性能的 影响及其机理。试验结果表明 , 在没有 ZnTe/ZnTe:Cu 复合背接触层时 , Ni 和 Au 相比 , 输入特性的填充因子 ( FF ) 较差 , 短 路电流密度 ( J sc) 较大 , 转换效率 (G) 较低 ; 在有 ZnTe复合背接触层时 , Ni 和 Au 相比 , FF 相差较小 , 而 G因 Jsc较大而较高。通过暗特性的测试 , 可以看到 , 在有了 ZnTe复合背接触层以后 , Ni 作背电极的碲化镉太阳电池 , 其二极管 因子 ( A) 、 暗饱和电流 ( J0 ) 和旁路电 阻 ( Rsh) 等三个参数降低的幅度都比 Au 作背电极的大。这和 ZnTe复合背接触层使 Ni 背电极碲化镉太阳 电池效率有更大提 高是吻合的。分析表明 ,这主要是由于光生电流的增大导致了 J sc的增大。这样用 Ni 代替 Au 作背电极会带来降低成本和效率提高的双重改进。关键词 复合背接触层 金属背电极 短路电流密度 转换效率 CdTe太阳电池中图分类号 :TM914142 文献标识码 : A 文章编号 : 1672- 7126(2008)02-133- 05CdTe太阳电池以其高效、 低成本、 且便于大面 积生产而成为当今最具前景的薄膜太阳电池之一 ,收稿日期 : 2006-08-30基金项目 : 国家高技术研究发展计划资助项目 (No. 2003AA513010)* 联系人 : Tel: (028) 80974382; E-mail: shj1437@163. com133第 28卷 第 2 期2008年 3、 4 月真 空 科 学 与 技 术 学 报CHINESEJOURNALOF VACUUM SCIENCEAND TECHNOLOGY近几年来对 CdTe太阳电池的研究取得了引人注目的进展 , 其中一个主要的方向就是改进电池的背接触。但由于 CdTe的电子亲和势为 413 eV, 在室温下能隙约 为 115 eV[ 1] 。通常使用的高功 函数导电材料 , 如 Au、 Ni 、 C 等 , 仍难以和 p- CdTe形成很好的欧姆接触 [ 2] 。但是 , 目前实际制得的 CdTe太阳电池的几个主要性能参数 : 短路电流、 开路电压、 填充因子和转换效率与理论预期值相比有较大差距 , 其主要原因是背电极的欧姆接触仍不理想。以前的研究工作 , 用 Au 作为 CdTe太阳电池的背电 极取得了成功 , 先用单层的 ZnTe: Cu[ 3] , 后来又用复合 的 ZnTe/ ZnTe: Cu 层 插入 p- CdTe和 背电 极 之间 [4- 6] , 使 小 面 积 ( 01071 cm2 ) 电 池 的 效 率 达 到13138%[ 7]。而作为地面能源 , 太阳电池研制的主要目标就是提高其光电转换效率 , 降低成本以及适合大规模化生产的技术开发。因此从大生产考虑 , 宜选用成本较低的金属。 Ni 的价格远低于 Au, 且 Ni 的功函数为 510 eV, 比 Au 的功函数 419 eV 略高 , 从道理上讲 ,Ni 比 Au 更易与半导体形成欧姆接触。但金属与半导体接触是一个十分复杂的问题 , 用 Ni 作背电极后 , 电池的性能会有什么变化令人十分关注。为此我们进行了大量的实验工作以便进行对比。1 实验衬底为 具有 SnO2: F 的透 明导电 膜玻璃。 CdS薄膜用化学池沉积 ( CBD) , CdTe薄膜用近空间升华法沉积 ( CSS)。 ZnTe和 ZnTe: Cu 薄膜用自己设计和制造的双源共蒸发系统沉积 , 如图 1 所示。太阳电池的背电极金膜 , 用真空热蒸发沉积。详细的制备和后处理方法 , 请见文献 [ 5, 8] 。 Ni 的熔点较高 , 为1450 e , 蒸发温度为 1530 e [ 9] , 实际中常用的蒸发源材料都不能很好地达到加热蒸发 Ni 的目的。于是我们采用电子束蒸发法来制备 Ni 背电极 , 如图 2所示。蒸发 Ni 膜时的压强为 1 @10- 3 Pa~ 2 @10- 3Pa, 加 8 kV 的偏置高压 , 衬底放于转速 约 11 r/ min的球面样品架上 , 沉积时间为 2 min~ 3 min。作为比较用的样品 , 是同一块 SnO2: F 玻璃衬底 , 因此有相同的 CdS薄膜、 CdTe薄膜及相同的后处理。在用共蒸发 ZnTe/ ZnTe:Cu 复合背接触层时 , 样品的一半被遮挡。然后再把这些样品切割成 4 块或 6 块 , 每块上都有一半的 ZnTe 背接触层。此后每两块样品同时退火 , 分别镀上 Au 和 Ni 作背电极。光照 I- V 输出 特性使用西安 交通大学研制的XJCM-8solar cell tester测试。暗态 I- V 特性使用 Ag-ilent 公司 生产的 4155C 半 导体 特性 测试仪 进行 测量 , 频率 : 100 kHz~ 1 MHz, 扫描电压 : - 115 V~ 115V 。 Au 膜和 Ni 膜的 AFM 形貌在四川大学分析测试中心使用 SPI3800N原子力显微镜进行测试。图 1 真空共蒸发系统示意图11 衬底 ; 21 石英晶片探头 ; 31 ZnTe 源 ;41Cu 源 ; 51 隔板 ; 61 挡板 ; 71 转盘Fig11 The schematicmodelof the vacuum co- evaporationsystem1. substrate;2. detectorof quartzwafer; 3. ZnTe source;4. Cu source;5. clapboard;6. baffle;7. rotationaldisk图 2 电子束蒸发装置示意图Fig12 The schematicdiagramof the electronbeamevaporationsystem2 结果与讨论表 1 为具有不同金属背电极和无 ZnTe/ZnTe:Cu复合背接触层时代表性电池的性能参数测试数据。从表 1 中可以看出 , 当无 ZnTe/ZnTe: Cu 复合背接触层时 , 用 Ni 替代 Au 作背电 极后 , 虽然电 池的J sc有不 同程度 的增加 , 最大增 幅有 24168%, 但 是Voc和 FF, 特别是 FF 却有相对更大程度的减小 , Voc的最大减小幅度为 13112% , FF 的最大减小幅度为134 真 空 科 学 与 技 术 学 报 第 28 卷15193%。 J sc、 Voc和 FF 综合作用 的结果最终导致转换效率减小 , 最大减小幅度有 22146%。表 1 具有不同金属背电极和无 ZnTe/ ZnTe: Cu 复合背接触层时的代表性电池的 J sc、 Voc、 FF 、 G 性能参数 表Tab. 1 J sc、 Voc、 FF、 G parametersof representatives CdTe solarcells with Au or Ni back electrodeand without ZnT e/ZnTe:Cu complexcontactlayer样品号 性能参数glass/ SnO2: F/CdS/CdTe/ Auglass/SnO2: F/CdS/ CdTe/NiNi 对 Au 的增幅 ( % )M 13. 8( 退火温度 :208e )Jsc(mA/ cm2 ) 16. 61 16. 80 1. 14V oc(mV) 663. 50 607. 78 - 8. 40FF ( % ) 55. 86 52. 49 - 6. 03G( % ) 6. 17 5. 36 - 13. 13最好电池样品Jsc(mA/ cm2 ) 18. 10 18. 25 0. 83V oc(mV) 688 629 - 8. 58FF ( % ) 63. 27 53. 19 - 15. 93G( % ) 7. 88 6. 11 - 22. 46M 13. 9( 退火温度 :190e )Jsc(mA/ cm2 ) 17. 34 21. 62 24. 68V oc(mV) 669. 94 599. 74 - 10. 48FF ( % ) 57. 11 50. 41 - 11. 73G( % ) 6. 63 6. 53 - 1. 51最好电池样品Jsc(mA/ cm2 ) 19. 94 21. 64 8. 53V oc(mV) 666 604 - 9. 31FF ( % ) 54. 90 54. 64 - 0. 47G( % ) 7. 29 7. 14 - 2. 06表 2 为具有不同金属背电极和有 ZnTe/ ZnTe: Cu复合背接触层时代表性电池的性能参数测试数据。表 2 具有不同金属背电极和有 ZnTe/ ZnTe: Cu 复合背接触层时的代表性电池的 J sc、 Voc、 FF 、 G 性能参数 表Tab. 2 J sc、 Voc、 FF 、 G parametersof representativeCdTe solarcellswith Au or Ni back electrodeand with ZnTe/ ZnT e:Cu complexcontactlayer样品号性能参数glass/ SnO2: F/CdS/CdTe/ ZnTe/ ZnTe:Cu/ Auglass/SnO2: F/CdS/ CdTe/ZnTe/ ZnTe: Cu/ NiNi 对 Au 的增幅 ( % )M 13. 8( 退火温度 :208e )Jsc(mA/ cm2 ) 14. 39 17. 72 23. 14V oc(mV) 780. 68 789. 00 1. 07FF ( % ) 53. 94 52. 14 - 3. 34G( % ) 6. 07 7. 34 20. 92最好电池样品Jsc(mA/ cm2 ) 14. 99 19. 09 27. 35V oc(mV) 804 829 3. 11FF ( % ) 62. 78 61. 66 - 1. 78G( % ) 7. 57 9. 76 28. 93M 13. 9( 退火温度 :190e )Jsc(mA/ cm2 ) 18. 57 20. 56 10. 72V oc(mV) 753. 00 713. 27 - 5. 28FF ( % ) 60. 77 60. 00 - 1. 27G( % ) 8. 06 8. 80 9. 18最好电池样品sc( mA/ cm2) 18. 95 22. 07 16. 46V oc( mV) 707 711 0. 57FF( % ) 64. 06 59. 74 - 6. 74G( % ) 8. 58 9. 37 9. 21从表 2 中可以看出 , 有 ZnTe/ZnTe: Cu 复合背接图 3 具有不同结构的电池的光照 J-V 曲线Fig13 Light J-V curvesof the typical CdTesolar cellswith different structures触层时 , 用 Ni 替代 Au 作背电极后 , V oc 的变化趋势不一致 , 有增有减。 FF 均略有降低 , 最大降低幅度只有 6174%。但因 Jsc有很大的增加 , 最大增幅达到40131% , 使得太阳电池的首要指标 ) 转换效率有不同程度的增大。最大增幅达到 30157% , 最好 的电池样品的转换效率的增幅也有 28193% 。135第 2 期 鄢 强等 : 复合背接触层与背电极的匹配对 CdTe太阳电池性能的影响从表 1 和表 2 还可看出 , 与用 Au 作为背电极相比 , 当用 Ni 作为背电极后 , 最明显的变化就是电池的 J sc有很大的增加 , 其最大增幅 , J sc 达到 24168% ,最好样品的 Jsc也达到 27135% 。图 3 为有无 ZnTe/ZnTe:Cu 复合背接触层和不同金属背电极的 CdTe太阳电池光照 J-V 曲线图。上述结果给出了两个重要的实验事实 : ( 1) 无论用 Au 或 Ni 作背电极 , 有 ZnTe/ZnTe:Cu 复合背接触层的电池性能比无 ZnTe/ZnTe: Cu 复合背接触层的电池性能都有相当大的提高 , 这 再次证明了 ZnTe/ZnTe: Cu 复合背接触层在 CdTe太阳电池结构中所起的不可替代的作用。这主要是因为 , p-CdTe 由于自补偿效应 , 不易高掺杂 , 电阻率高 , 很难与金属背电极形成稳定的欧姆接触。 ( 2) 如果没有背接触层 ,具有 Ni 背电极的电池效率比 Au 的低 , 但有了背接触层 , 具有 Ni 背电极的电池效率比 Au 高 ; 无论有无背接触层 ,Ni 背电极的短路电流密度都比 Au 的高。为了理解上述实验结果 , 我们对一些代表性的电池样品进行了暗特性曲线测试 , 并根据与太阳电池等效电路相应的 I- V 特性方程 ( 1) 计算了相应的参数。I = I L - I 0( exp( q( V- IR s)AkT ) - 1) - V- IR sRsh ( 1)式中 , I L 为光生电流 , I 0 为二极管的反 向饱和电流密度 , J0= I0/ 电池面积 , A 为二极管因子 , q 为电子电荷 , k 为玻尔兹曼常数 , T 为热力学温度 , Rs 为串联电阻 , Rsh为并联电阻。表 3 为引入背接触层后暗特性的变化情况。表 3 引入背接触层后暗特性的变化情况Tab. 3 The changesin dark characteristicsof CdTe solar cellswith different structures电池结构 R s/ 8 Rsh/ 8 J 0/ A# cm- 2 Aglass/SnO2:F/ CdS/ CdTe/Au 11. 61 259. 28 2. 21@10- 7 3. 4glass/SnO2:F/ CdS/ CdTe/Ni 13. 70 84. 98 8. 46@10- 7 4.08glass/SnO2:F/ CdS/ CdTe/ZnTe/ ZnTe:Cu/ Au 5. 36 859. 93 3. 74@10- 8 2.18glass/SnO2:F/ CdS/ CdTe/ZnTe/ ZnTe:Cu/ Ni 7. 66 546. 25 8. 08@10- 8 2.44可以看到 : (1) 在没有背接触层时 , Ni 作为背电极替代 Au 后 , 结特性变差 ,A 和 J0 都增加 , 但导致性能下降的主要是 Rsh大大下降 ; ( 2) 在用了背接触层时 ,Ni 替代 Au 后 , 结特性还是较差 , 但相对于没有背接触层时 , 结特性改进的幅度更为明显。因此 , G提高的幅度比 Au 的大 ; (3) 我们可看到 , 在有了 ZnTe复合背 接触层以后 , Ni 作为背电极比 Au 有 更高转换效率 , 主要原因是短路电流大得多。这不是来自结特性方面的原因 , 而是来自光生电流的密度更大。图 4 Au 膜和 Ni 膜的 AFM 形貌图Fig14 The AFM imagesof Au film andNi film为了探索 Ni 作为背电极提高 CdTe太阳电池短路电流密度大的原因 , 我们用 SPI3800N原子力显微镜 (AFM) 观测了 Au 膜和 Ni 膜的形貌 ( Au 膜和 Ni 膜均镀在 ZnTe/ZnTe:Cu 复合层上 ) , 如图 4 所示。从图 4 中可看到 , Au 膜表面呈岛状结构 , 台阶明显 , 薄膜的平整度较差 , 而 Ni 膜的表面则较平整 ,结构致密。我们分析认为 , 平整度较好的 Ni 膜有利于载流子的收集 , 特别是有 ZnTe/ZnTe: Cu 复合背接触层的电池 , 由于复合层中有重掺杂 Cu 的 ZnTe, 它的电阻率较低 , 而且 ZnTe 的晶粒度小于 CdTe[ 3], 因此 , Ni 比 Au 能更好地与复合层接触 , 形成较好的欧姆接触 , 从而提高载流子的收集效率 , 使电池的短路电流密度增加。图 5 为 ZnTe/ ZnTe:Cu 与 Au 膜和 Ni 膜的暗态图 5 ZnTe/ZnT e: Cu/Au 和 ZnTe/ZnTe: Cu/ Ni的暗态 I-V 曲线Fig15 The dark I-V curve of ZnTe/ZnTe: Cu/AuandZnTe/ ZnTe:Cu/ NiI-V 曲线。136 真 空 科 学 与 技 术 学 报 第 28 卷从图 5 中可以看出 , 在外加偏压下 , 不论是 Au膜还是 Ni 与 ZnTe/ ZnTe:Cu 复合背接触层暗态 I- V曲线均为直线 , 其电阻率相差不大 , 这表明 Au 膜和Ni 膜均与 ZnTe/ZnTe: Cu 复合背接触层形成欧姆接触 , 有利于 p 型层的空穴向背电极输送。这主要是因为 Au 和 Ni 都是高功函数金属 , 其功函数相差不大 (Au 的功函数为 419 eV, Ni 的功函数为 510 eV) 。对 ZnTe进行 Cu 重掺杂 , 其与高功函数金属接触时 ,隧道电流占主导地位 , 可形成理想的欧姆接触 [10] 。3 结论( 1) 在没有 ZnTe/ ZnTe: Cu 复合 背接触层时 , Ni作为背电极替代 Au 后 , 结特性变差 , 二极管因子和暗饱和电流都增加 , 但导致性能下降的 , 主要是旁路电阻大大下降 ; 在用了复合背接触层时 , Ni 替代 Au作为背电极后 , 结特性变 差 , 但变 差的幅度已经不大。(2) 如果没有复合背接触层 , 有 Ni 背电极的电池效率比 Au 的低 , 但有了复合背接触层 , 有 Ni 背电极的电池效率要比 Au 的高。(3) 无论有无复合背接触层 , 有 Ni 背电极的电池短路电流密度都比 Au 的高。(4) Ni 膜和 Au 膜都能和 ZnTe/ ZnTe:Cu 背接触层形成良好的欧姆接触。从上述两方面 , 并根据 Ni 的价格远低于 Au 来看 , 用 Ni 替代 Au 作为具有 ZnTe/ZnTe:Cu 复合背接触层的 CdTe太阳电池的背电极后 , 不但可以将电池的转换效率提高至少 10% 左右 , 而且大有希望降低在大规模生产中的成本。参 考 文 献[ 1] Chao JH, TurnerA ,M cClureJC, et al. 1996 IEEE TechnicalDigest of the InternationalPVSEC- 9, Miyasaki:25- 26[ 2] PonponJ. 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