高转换效率CdTe薄膜太阳电池制备及关键科学问题研究

摘要

CdTe材料是一种II-VI族化合物半导体材料，由于具有合适的禁带宽度和较高的吸收系数，近年来作为一种太阳能电池半导体材料受到广泛的关注。以CdTe薄膜为吸收层的CdS/CdTe异质结薄膜太阳能电池是最具有应用前景的低成本太阳能电池之一，目前小面积CdTe薄膜太阳电池效率已经达到17.3％，电池组件效率也已经达到14%。然而，由于材料特性的限制，CdTe薄膜太阳能电池研究和生产也存在不少的问题：高功函数的P型CdTe薄膜很难形成低能垒的背接触，影响电池性能的进一步提升；低载流子浓度影响电池器件的开路电压；杂质离子(如Cu)在电池器件中的扩散造成电池性能的衰减，影响电池长期稳定性；地壳中Te含量的相对不足，影响电池的大规模推广。针对这些存在的问题，本论文展开了一系列研究和探讨。
　　 在第一章，本文首先分析了世界能源危机的背景和解决能源危机的出路。然后介绍了太阳能电池的发展历程和光伏发电的基本原理。最后介绍了CdTe薄膜材料的特性和CdTe薄膜太阳能电池相关特征。
　　 在第二章，利用化学水浴法制备CdS薄膜。获得了均匀性和透过率良好的CdS预置薄膜，并且该薄膜具备六方(002)的择优取向。利用实验室自行研制的近空间升华设备制备了CdTe薄膜，研究表明制备的CdTe薄膜结晶性能优异，具有(111)面择优取向的立方相结构，与CdS衬底之间具有最小的晶格失配，利于太阳能电池器件的制备。并利用获得的CdS/CdTe薄膜制备成CdTe薄膜太阳能电池器件。获得了最初2.04%的转换效率。
　　 第三章，系统地研究了CdS和CdTe薄膜的热处理过程。利用提拉沉积CdCl2的方法对CdS进行高温热处理，显著提高了CdS的结晶性能，提高了六方(002)的择优取向，减少了表面氧化，改善了薄膜光学特性。研究了CdS薄膜热处理对CdTe薄膜太阳能电池性能的影响。用CdCl2热处理的CdS薄膜制备的电池器件转换效率达到了11.6%。研究了热处理过程中CdTe薄膜表面氧化相变过程，深入探讨了在有氧和Cl存在下，CdTe薄膜在高温下的反应过程。研究表明在有CdCl2的存在下，CdTe薄膜在热处理过程中会生成低熔点的CdTe-CdC12-Te-CdTeO3混合物。该混合物的存在又促进了薄膜进一步的氧化。研究了CdTe薄膜热处理对电池器件性能的影响。研究发现CdCl2热处理使得CdS/CdTe界面产生了互扩散，使界面变得模糊，且消耗了CdS的厚度。研究了不同温度热处理对电池性能的影响，表明400℃热处理最适合CdTe薄膜电池制备。利用近空间高效率CdCl2蒸汽热处理工艺制备的CdTe薄膜电池获得了12.4%的转换效率。
　　 第四章，对CdTe薄膜太阳能电池的背电极展开了系统研究。研究了溴甲醇溶液对CdTe薄膜的影响和对器件性能的影响。溴甲醇溶液蚀刻去除了热处理过程中CdTe薄膜表面产生的氧化物，同时在薄膜表面产生了一层富Te层。改善蚀刻溶液和浓度显著提高了电池性能。深入研究了Cu背电极掺杂对电池性能的影响。成功消除了CdTe背电极势垒，消除了CdTe伏安曲线中常见的“RollOver”现象。提高了电池性能，获得了转换效率达13.2%的CdTe薄膜太阳能电池。研究了不同背电极缓冲层对CdTe薄膜太阳能电池器件性能的影响：ZnTe:Cu、Sb2Te3和MoO3等。利用这些背接触缓冲层制备的CdTe薄膜太阳能电池均获得了10%左右的较高转换效率。
　　 第五章中，我们制备了以Cu/Au为背电极和以Sb2Te3为背电极的两组不同吸收层厚度电池器件。研究表明在0.5μm厚电池当中由于光的不完全吸收造成的效率损失只有0.5%。CdTe薄膜厚度的降低对电池短路电流的影响较小，主要的影响在开路电压和短路电流。而导致超薄电池性能下降的主要原因是来自于超薄电池较差的薄膜结晶性能，较差的薄膜晶粒使得结区存在大量的表面和界面态以及复合中心，大大增加了电池漏电流，影响了电池的开路电压和短路电流。同时在超薄电池中Cu元素的扩散对电池性能带来的影响远比正常厚度电池严重。制备了性能较为优异的超薄吸收层CdTe薄膜太阳能电池。1μm厚度电池获得了7.9%的转换效率，而0.5μm电池获得了5.2%的转换效率。