10001585_宽光谱高效率碲化镉薄膜太阳电池研究与制备

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/ZnTe:Cu/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 ZnTe:Cu 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）ZnTe:Cu 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、CdS:O 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 20~30 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、ZnTe:Cu 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 ZnTe:Cu 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，ZnTe:Cu 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 /ZnTe:Cu/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：shenkai@jnu.edu.cn.