碲化鎘薄膜太陽電池背場緩沖層及電池制備研究.pdf

1、碲化鎘(CdTe)是一種重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料。它是直接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度為1.45 eV，對太陽光譜的響應(yīng)處于最理想的太陽光譜波段，且CdTe在可見光范圍內(nèi)的吸收系數(shù)高達(dá)105 cm-1，比Si的吸收系數(shù)高100倍，只需1μm厚的薄膜即可吸收99％能量大于其禁帶寬度的光子。因此CdT是一種特別適合作為太陽電池吸收層的材料。CdTe/CdS多晶薄膜太陽電池有轉(zhuǎn)換效率高、所需材料成本低的優(yōu)勢而具有很大的市場潛力。近幾年，CdTe

2、薄膜電池轉(zhuǎn)換效率提升迅速，目前世界最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)22.1％，超過多晶硅太陽電池的世界最高轉(zhuǎn)換效率，是光伏市場上起主導(dǎo)地位的晶硅太陽電池的有力競爭者。然而，由于CdTe某些材料特性的限制，制備高效穩(wěn)定的CdTe薄膜太陽電池依然存在許多科學(xué)問題需要研究和解決。例如:CdTe的材料功函數(shù)高達(dá)5.7 eV，高于通常金屬背電極的功函數(shù)，加上CdTe材料的載流子濃度較低(1013-1014 cm-3)，且難以對CdT進(jìn)行摻雜，導(dǎo)致CdTe和背金屬電

3、極難以形成良好的歐姆接觸，嚴(yán)重影響電池的性能;現(xiàn)有含銅背接觸結(jié)構(gòu)雖能降低電池背接觸勢壘，提高電池性能，但銅可以通過CdTe晶界向PN結(jié)擴(kuò)散，在CdTe/CdS形成的PN結(jié)界面處積累，導(dǎo)致電池性能嚴(yán)重衰減;CdTe電池中存在嚴(yán)重的載流子復(fù)合，尤其在背接觸表面，導(dǎo)致CdT太陽電池的開路電壓較低，CdTe太陽電池的最高開路電壓Voc只有理想值的75％，遠(yuǎn)低于晶硅電池和銅銦鎵硒電池等。因此，制備CdT太陽電池的有效背接觸緩沖層是目前的研究熱點(diǎn)。

4、本文針對CdTe薄膜太陽電池的背接觸緩沖層進(jìn)行了相關(guān)研究。
　　第一章，回顧了太陽電池的背景和研究歷史，介紹了太陽電池的結(jié)構(gòu)、原理和器件輸出特性，概述了CdTe薄膜太陽電池的發(fā)展歷程、電池結(jié)構(gòu)、材料特性和制備工藝。
　　第二章，基于氧化鎳NiO背接觸緩沖層的研究。使用P型氧化物半導(dǎo)體NiO作為CdTe薄膜太陽電池的背接觸緩沖層材料。通過光電子能譜XPS測試得到的CdTe/NiO界面能帶匹配度很好。CdTe/NiO界面存在導(dǎo)帶

5、偏移，NiO緩沖層可以起到背場反射電子的作用，將背表面處CdTe中的光生電子反射到PN結(jié)處，大幅降低光生電子在電池背表面處的復(fù)合，從而提高電池的開路電壓Voc和轉(zhuǎn)換效率。通過制備不同厚度的NiO緩沖層的CdTe太陽電池，確定了NiO的最佳厚度為20 nm。繼而通過阻抗譜測試證實(shí)了NiO作為電池背接觸緩沖層時，背表面處的載流子復(fù)合率較低，確定了NiO緩沖層在CdTe太陽電池中的背場反射作用。為提高NiO薄膜的導(dǎo)電性，還制備了背接觸結(jié)構(gòu)為3

6、-nm-Cu/20-nm-NiO/Au的CdTe電池，電池開路電壓為796 mV，轉(zhuǎn)換效率為13.5％，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該背接觸結(jié)構(gòu)的電池在轉(zhuǎn)換效率和熱穩(wěn)定性上優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)背接觸結(jié)構(gòu)5-nm-Cu/Au的CdTe電池。
　　第三章，基于碘化亞銅CuⅠ背接觸緩沖層的研究。采用熱蒸發(fā)法制備CuⅠ薄膜，通過XRD、紫外-可見光透過光譜和SEM等測試手段，研究了熱處理溫度對CuⅠ薄膜的影響，結(jié)果顯示CuⅠ薄膜需200℃的熱處理溫度才能有良好的襯