CN102244110B - 硒化钒薄膜作背接触层的CdTe太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明是为了消除CdTe电池中铜或含铜背接触层材料的缺陷,避免铜的扩散对CdTe太阳电池性能产生不良影响。采用一种不含铜的硒化钒材料,添加在CdTe太阳电池基本结构的吸收层与金属背电极之间,作为CdTe太阳电池的背接触层。可实现CdTe太阳电池的欧姆接触,并使太阳电池的耗尽区变宽,界面复合降低,旁路电阻增大,填充因子提高,转换效率提高。由于本发明中未使用铜这样的受主掺杂剂,因此,电池在长期使用或存放后未见衰降,器件稳定性良好。
Description
技术领域
本发明属于新能源材料与器件领域,特别涉及一种碲化镉薄膜太阳电池的制备方法。
背景技术
由于CdTe具有较高的吸收系数和适合太阳能转换的最佳能隙,因此,在光伏领域,CdTe作为一种重要的光电转换材料受到人们广泛关注和重视。它与宽能隙的CdS(~2.42 eV)形成CdS/CdTe异质结太阳电池,有接近30%的理论转换效率。目前,实验室小面积电池的效率已经突破16%,商业化组件的效率已达11%。
CdTe太阳电池的基本结构为:玻璃(G)/透明导电膜(T)/n-CdS(W)/p-CdTe (A)/金属背电极 (M),其中透明导电膜(TCO)为前电极,CdS为窗口层,CdTe为吸收层,如图1所示。在CdTe太阳电池的制备过程中,实现CdTe与金属背电极之间的欧姆接触是获得稳定、高效电池的关键技术之一。由于CdTe的功函数很高,与大多数的金属都难以形成低电阻接触。因此,解决背接触问题的有效办法是将一种p型重掺杂的过渡层材料沉积在CdTe薄膜表面,通过沟道输运机制实现欧姆接触。
常规的CdTe太阳电池,背接触层采用铜或含铜材料,但会出现如下问题:对于Cu,常与腐蚀后不均匀的富Te层反应产生成分和结构复杂的碲铜相;对于含铜材料:如ZnTe:Cu、HgTe:Cu、CuxTe(1≤x≤2),因金属离子或杂质沿晶粒间界扩散使电池性能衰降。
发明内容
本发明的目的是为了消除上述电池中铜或含铜背接触层的缺陷,避免铜的扩散对CdTe太阳电池性能产生不良影响,进一步改进CdTe太阳电池的结构,提高填充因子和开路电压,从而获得较高的光电转化效率和稳定性。
为了实现本发明的目的,本发明的技术方案是采用一种不含铜的硒化钒材料(VSe2-x,其中0≤x≤1,且其空间群为P-3m1,序号为164),添加在CdTe太阳电池的吸收层(CdTe)与金属背电极之间,作为CdTe太阳电池的背接触层,其厚度大于30 nm,小于500 nm。因此,太阳电池的结构变为:玻璃(G)/TCO(T)/n-CdS(W)/p-CdTe (A)/ VSe2-x(B)/金属背电极 (M)。在改进的结构中,VSe2-x为六方层状结构,p型半导体,其功函数与CdTe相当,载流子浓度很高,可作为过渡层沉积在CdTe薄膜表面,通过沟道输运机制获得低电阻接触。
最终,在CdTe太阳电池中,可实现欧姆接触,并使太阳电池的耗尽区变宽,界面复合降低,旁路电阻增大。具有硒化钒的CdTe太阳电池的电学性能测试结果为:旁路电阻有显著增加,填充因子提高10%~20%,开路电压也有所增加。由于本发明中未使用铜这样的受主掺杂剂,因此,电池在长期使用或存放后未见衰降,即器件稳定性良好。表1为CdTe太阳电池有无VSe2-x(x=0)的开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)、填充因子(FF)、转换效率(η)、串联电阻(Rsh)、旁路电阻(Rsh)等器件参数。
表1 CdS/CdTe薄膜太阳电池有无硒化钒背接触层的比较
Voc (mV) | Jsc(mA/cm2) | FF (%) | η (%) | Rs (Ω) | Rsh (Ω) | |
无背接触层 | 718 | 22.3 | 53.68 | 8.594 | 151.859 | 3522.88 |
有背接触层 | 764 | 20.6 | 64.98 | 10.226 | 120.856 | 6889.07 |
附图说明
图1为碲化镉太阳电池的基本结构图;
图2为具有硒化钒背接触层的碲化镉太阳电池结构图;
图3为VSe2-x与Au电极之间的暗电压-电流曲线。
图1、图2中的符号: G为玻璃,T为透明导电膜,W为CdS,A为CdTe,B为硒化钒,M为金属背电极。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明,但本发明的内容不仅限于实施例中涉及的内容。
本发明的结构(如图2所示)为:玻璃(G)/透明导电膜(T)/n-硫化镉(W)/p-碲化镉 (A)/硒化矾(B)/金属背电极 (M),它以碲化镉太阳电池的基本结构为基础,在p型CdTe(A)与金属背电极(M)之间加入硒化钒薄膜材料(B)。作为背接触层材料,空间群序号为164号的硒化钒薄膜为六方层状结构,p型半导体,其能隙约较宽,功函数>5.0 eV,因此,与CdTe接触时不会阻挡空穴的输运。另外,在能带结构的导带底与CdTe相应位置会形成小的势垒,这有利于反射从前电极回来的电子。霍耳效应测试表明,VSe2-x(x=0)载流子浓度为1011~1012cm-3,与金属背电极(M)之间也能形成低电阻接触。因而,背电极金属(M)与吸收层CdTe (A)能形成良好的欧姆接触。图3为VSe2-x与Au电极之间的暗电压-电流曲线,VSe2-x背接触层与Au电极的暗态电流与电压呈线性关系,这表明 VSe2-x背接触层与Au背电极形成了欧姆接触,有利于p型层的空穴向背电极输运。因此,本发明中,VSe2-x薄膜材料的作用有两个,一是与吸收层CdTe形成欧姆接触,提高太阳电池的效率;二是增加CdTe太阳电池的稳定性,获得比较长的器件寿命。
本发明实施例中采用的样品为CdTe太阳电池基本结构中(图1)不包含背电极(M)的部分:玻璃(G)/透明导电薄膜(T)/硫化镉(W)/ 碲化镉(A)(Glass/TCO/CdS/CdTe)。上述样品经过氯化镉退火处理,再经过背表面化学腐蚀,通过沉积如实施例中硒化钒背接触层(B),随后沉积金属背电极(M)即可制备CdTe太阳电池。硒化钒背接触层(B)的厚度大于30 nm,小于500nm,其中 50~100 nm最佳,大于100 nm也有较好作用。由于本发明是在基本结构的CdTe电池中添加硒化钒,因此,在下述实施例中,我们只对硒化钒背接触层的制备作详述,而制备前样品的处理,以及制备后金属背电极的沉积不再叙述。
实施例一:
(1)制备V-Se薄膜
把样品放入真空室,真空度为10-4pa,样品温度为室温,采用电子束蒸发法,交替蒸镀钒和硒,其中钒的纯度为99.999%,硒的纯度为99.97%。沉积钒的厚度1~10 nm,钒和硒厚度比为0.26,V-Se薄膜总厚度为80 nm;
(2)后处理V-Se薄膜
把沉积了V-Se薄膜的样品取出,放入氮气或惰性气体保护的真空退火炉,进行后处理,温度为2500C~3000C,时间10~60分钟,然后自然冷却到室温,即获得具有VSe2-x(x=0)薄膜的样品。
实施例二:
(1)制备V-Se薄膜
把样品放入真空室,真空度为10-4pa,样品温度为3000C,采用电子束蒸发法,交替蒸镀钒和硒,其中钒的纯度为99.999%,硒的纯度为99.97%。沉积钒的厚度1~10 nm,钒和硒厚度比为0.26,V-Se薄膜总厚度为100 nm;
(2)后处理V-Se薄膜
在真空室中,把样品保温10~60分钟,然后自然冷却到室温,即获得具有VSe2-x(x=0)薄膜的样品。
实施例三:
(1)安装靶材和样品
将钒靶(纯度99.99%及以上)和硒靶(纯度99.99%及以上)分别固定在溅射装置对应的两个靶位置上,将样品固定在基片位置上,调整好靶与基片的距离6~9 cm;
(2)制备V-Se薄膜
原位生长V-Se薄膜,即先加热样品温度为300 0C,然后共溅射钒和硒,获得V-Se薄膜,其中,本底真空~10-4 Pa,工作气体为氩气,工作气压0.1~3.5 Pa,钒靶溅射功率30~300 W,硒靶溅射功率30~100 W,溅射速率V/Se为0.26~0.27,溅射厚度70 nm;
(3)后处理V-Se薄膜
溅射完毕后,在溅射的气氛下,在溅射室内保气压10~60分钟,然后自然冷却到室温,即获得具有VSe2-x(x=0.03)薄膜的样品。
实施例四:
(1)安装靶材和样品
将钒靶(纯度99.99%及以上)和硒靶(纯度99.99%及以上)分别固定在溅射装置对应的两个靶位置上,将样品固定在基片位置上,调整好靶与基片的距离6~9 cm;
(2)制备V-Se薄膜
非原位生长V-Se薄膜,即样品温度为室温,然后共溅射钒和硒,获得V-Se薄膜,其中,本底真空~10-4 Pa,工作气体为氩气,工作气压0.1~3.5 Pa,钒靶溅射功率30~300 W,硒靶溅射功率30~100 W,溅射速率V/Se为0.29~0.3,溅射厚度50 nm;
(3)后处理V-Se薄膜
溅射完毕后,取出样品,放入氮气或惰性气体保护的真空退火炉,进行后处理,温度为2500C~3000C,时间10~60分钟,然后自然冷却到室温,即获得具有VSe2-x(x=0.23)薄膜的样品。
Claims (3)
1.一种硒化钒薄膜作背接触层的CdTe太阳电池,其结构为玻璃/透明导电薄膜/硫化镉/ 碲化镉/硒化钒/金属背电极,其特征是:以CdTe太阳电池基本结构为基础,采用硒化钒作为背接触层材料,添加在碲化镉与金属背电极之间。
2.如权利要求1所述的硒化钒薄膜作背接触层的CdTe太阳电池,其特征是:硒化钒的化学表达式为VSe2-x,其中 0≤x≤1,并满足空间群P-3m1,序号为164。
3.如权利要求1或2所述的硒化钒薄膜作背接触层的CdTe太阳电池,其特征是:硒化钒作为背接触层材料,其厚度大于30 nm,小于500 nm。
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