CdTe薄膜太陽電池是目前光伏領域的研究熱點,其產業化正在穩步推進。然而,目前規模化生產的CdTe太陽電池的實際轉換效率僅達到8%～11%之間,與傳統Si太陽電池相比仍有較大差距。作為進一步提高CdTe太陽電池整體性能的措施之一,改進電池的頂層材料—硫化鎘薄膜(CdS)已引起大家的關注。CdS薄膜禁帶寬度約為2.42eV ,能允許絕大部分的可見光透過,被廣泛地用作薄膜太陽電池的窗口層。實際應用時,CdS薄膜的結晶狀態、表面形貌和可見光透過特性是衡量其性能優劣的主要參數。

　　在傳統CdTe太陽電池的制作中,常用化學水浴法(CBD)沉積CdS薄膜,吸收層CdTe薄膜由近空間升華法(CSS)法制備 ,并取得了較好的效果。然而,這種干法和濕法結合的太陽電池制作工藝較為繁瑣,不利于流水線作業。從太陽電池的產業化發展方向來看,采用全干工藝制作太陽電池是發展的目標。因此,人們已開始嘗試全干工藝制作CdTe太陽電池 ,而其中的關鍵就是CdS薄膜的干法制備,目前報道的有磁控濺射、近空間升華法等。值得指出的是,干法制備的CdS薄膜用于CdTe太陽電池的制作時,轉換效率一直低于傳統的CBD方法,有必要對干法工藝的類型和工藝參數進行詳細研究,以推進太陽電池的產業化進程。其中,電子束蒸發法具有工藝簡單,成膜速度快,可采用大面積基片等優點,但用來制備CdS薄膜卻鮮有報道。為此,本文采用電子束蒸發制備了CdS薄膜,并對其性能進行表征,以探索該工藝的可行性,為工業化的大面積CdTe太陽電池制作提供實驗依據。

1、實驗

　　本實驗采用JT-500型高真空電子束蒸發系統沉積CdS薄膜。在高真空下進行薄膜的沉積,由渦輪分子泵實現真空,本底真空度為4×10^-3Pa 。選用普通的載玻片作為襯底,通過鹵鎢燈對襯底進行加熱,調節鹵鎢燈電流,將襯底溫度控制在100℃到200℃之間。此外,在真空室里薄膜沉積時襯底維持旋轉,以提高薄膜的均勻性。蒸發材料放置于坩堝內,使用純度為99.995%的CdS小塊材料。電子束蒸發的電子槍束流和電壓分別維持在30mA 和6.5kV,蒸發時間2min。

　　本文采用丹東方圓儀器有限公司的DX-2000型X射線衍射儀對樣品的結構進行表征。銅靶(Kα線,波長0.15418nm),掃描范圍0°～90°,掃描速度為0.06°/s ;采用日立S24800冷場發射掃描電鏡對樣品表面形貌進行了觀察;薄膜的紫外-可見透過譜采用島津公司生產的UV-2100紫外分光光度計進行測量。

2、結果與討論

2.1、CdS多晶薄膜結構分析

　　作為窗口層材料,CdS薄膜的結晶狀態對CdTe太陽電池的串聯電阻、缺陷態密度、透過率等有決定性的影響,進而影響到電池的整體性能。一般來說,結晶度高的CdS薄膜有利于降低電池頂區缺陷,改善頂區的有效光生載流子收集,同時也能降低太陽電池的串聯電阻。

　　圖1為制備的CdS薄膜的X射線衍射譜。由圖中可看到,不同襯底溫度下沉積的CdS薄膜呈現出了〈002〉晶向的高度擇優取向生長,顯示薄膜結晶度較高,有利于減少非晶相所形成的缺陷態密度和晶界缺陷,改善CdS薄膜的光透過性能。隨著襯底溫度的升高,薄膜中還逐漸出現一些其它衍射峰,如〈103〉、〈004〉、〈105〉等。值得注意的是〈, 002〉晶向的衍射峰強度隨著襯底溫度的升高而增強,并且始終處于優勢地位,暗示薄膜中該生長晶向含量上升。可見,電子束蒸發制備的CdS薄膜是多晶結構,屬于六方相。實際上,立方相和六方相的CdS薄膜均可用作CdTe 太陽電池的窗口層,但后者更穩定,因而更適合作為窗口層 。本實驗制備的CdS薄膜在大氣中放置半年時間后,經檢查未見薄膜脫落,其表面形貌和結構經過檢測也無變化(限于篇幅,另文闡述或者在真空技術網搜索相關文章) ,足見制備薄膜具有較高的結構穩定性和附著性能,對確保CdTe太陽電池性能的穩定具有重要意義。

圖1 　不同襯底溫度下制備CdS薄膜的X射線衍射譜

表1 　不同襯底溫度下制備CdS薄膜的晶粒尺寸

　　采用謝樂公式D=kλ( Bcosθ) 粗略估算了CdS薄膜的晶粒尺寸。其中,k =0.89,B為衍射峰的半高寬,θ為衍射角,λ= 0.15418nm。具體的計算結果如表1所示。

　　對不同衍射峰分別用謝樂公式計算可得到各個晶向的晶粒尺寸,反映晶粒在不同晶向上的生長情況。一般將各晶向的晶粒尺寸求平均即得到薄膜的晶粒大小。由表1 可看到,隨著襯底溫度的升高,制備樣品晶粒大小由25nm增大到29nm,晶粒尺寸偏小。其中,〈002〉晶向的晶粒尺寸由35nm增長到42nm,而其它晶向的晶粒尺寸較小且沒有明顯的增長,說明薄膜中的晶粒沿〈002〉晶向高度定向生長。分析認為,晶粒尺寸較小來自于兩方面的原因:一是考慮到襯底為普通的載玻片,薄膜沒有進行高溫退火,而CdCl₂氣氛下的退火能顯著增強晶粒的尺寸 ;二是考慮到窗口層的需要,沉積時間短,CdS薄膜厚度較小,這也在一定程度上抑制了晶粒生長的時間和空間。