CdS薄膜的制備及其在CdTe電池中的應用

2011-04-01 韓俊峰 北京大學核物理與核技術國家重點實驗室

  CdTe 是目前發展最快的薄膜太陽能電池之一。CdTe 電池目前達到的最高轉換效率是16.5%。由于具有較高的光電轉換效率,較低的成本造價和較長的使用壽命,CdTe 電池成為最有前景的薄膜太陽能電池之一。

  CdS 屬于二六族化合物,立方或者六方結構,六方結構在高溫下更穩定。CdS 是直接帶隙半導體,帶寬2.42 eV。CdS 是目前最適合的CdTe電池的窗口層材料。盡管CdS 與CdTe 的晶格失配達到10%,但是CdCl2 氣氛下的熱退火處理可以使CdS 與CdTe 之間發生相互擴散, 形成CdS1- xTex 緩沖層,從而有效減少界面失配造成的界面態[3]。CdS 薄膜的制備方法通常有閉空間升華法(CSS),化學水浴沉積(CBD),濺射,電沉積,MOCVD。CBD 方法是最常用的制備CdS 薄膜的方法。由于CdS 在水中溶解度很低,溶液中Cd 離子和S 離子會結合沉積在襯底表面形成CdS 薄膜。由于CBD 方法鍍膜速度較慢,工業生產中會涉及到大量廢水處理的問題,真空方法鍍CdS 膜成為近來研究的熱點。CSS 方法在真空環境中通過熱升華的方法制備CdS 薄膜。CS方法成膜質量高,沉積速度快,不涉及大量廢水處理,適合工業化大規模生產,具有很大的開發前景。

3、總結

  本文使用化學水浴沉積的方法(CBD)和閉空間升華的方法(CSS)制備CdS 薄膜,并制成CdTe太陽能電池器件。CSS 方法制備的薄膜晶粒較CBD 方法大,其尺寸分布在150~200 nm。CSS CdS呈穩定性較好的六方結構,其帶寬為2.42 eV,光學吸收邊在500~550 nm 附近;CBD CdS 由立方結構和六方結構的混合相組成,帶寬為2.38 eV,光學吸收邊和CSS CdS 相比向長波長方向偏移。XPS測量結果表明,CSS CdS 的費米面位置略高于CBD CdS,使得結區自建勢提高,有利于制備更高質量的太陽能電池。基于CSS CdS 薄膜制備的CdTe 太陽能電池轉換效率達到10.9%, 和基于CBD CdS 薄膜制備的CdTe 太陽能電池相比有了進一步改善。光量子效率顯示,在350~500 短波長波段,電池性能受限于CdS 窗口層對短波長光的吸收,基于CSS CdS 的電池在這個波長范圍的表現略好于基于CBD CdS 的電池。CSS CdS 薄膜沉積時間較短,整個過程在真空室中完成,可以建成和CdTe 沉積設備連成一體的生產線,有利于CdTe電池大規模產業化的實現。

  【作者】 韓俊峰; 廖成; 江濤; 趙夔;

  【Author】 HAN Jun-feng,LIAO Cheng,JIANG Tao,ZHAO Kui(State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology,Department of Physics,Peking University,Beijing 100871,China)

  【機構】 北京大學核物理與核技術國家重點實驗室;

  【摘要】 CdTe薄膜電池是發展最快、應用前景最好的一類太陽能電池。CdS層是CdTe電池的窗口層材料,其薄膜質量直接影響電池的轉換效率。本文介紹了化學水浴沉積(CBD)和閉空間升華(CSS)兩種方法沉積CdS薄膜,并完成單電池器件的制備和測試。CSS方法制備的薄膜結晶較大,光學和電學性能好于CBD方法制備的薄膜,太陽能電池的光電轉換效率達到10.9%。CSS方法鍍膜速度快,真空環境工作,有利于大規模產業化應用。

  【Abstract】 The CdTe solar cell is one of the most popular thin film PV devices,and CdS is used as a suitable window layerfor CdTe-based photovoltaic systems.The CdS films here were prepared by chemical bath depostion(CBD) and closed space sublimation(CSS).The complete CdTe/CdS solar cell devices were fabricated and analyzed.It was found that the films prepared by the CSS method have larger grains and better optical/electrical properties.The photoelectric conversion efficiency of such a solar cell comes up to 10.9%.The films deposited by CSS method is fast in vacuum system and suitable for commercial applications.

  【關鍵詞】 閉空間升華; 化學水浴沉積; 硫化鎘; 薄膜太陽能電池;

  【Key words】 CSS; CBD; CdS; thin film solar cell;

  【基金】 北京市自然科學基金(H030630010120)