CdS薄膜的制备及其在CdTe电池中的应用

2011-04-01 韩俊峰 北京大学核物理与核技术国家重点实验室

  CdTe 是目前发展最快的薄膜太阳能电池之一。CdTe 电池目前达到的最高转换效率是16.5%。由于具有较高的光电转换效率,较低的成本造价和较长的使用寿命,CdTe 电池成为最有前景的薄膜太阳能电池之一。

  CdS 属于二六族化合物,立方或者六方结构,六方结构在高温下更稳定。CdS 是直接带隙半导体,带宽2.42 eV。CdS 是目前最适合的CdTe电池的窗口层材料。尽管CdS 与CdTe 的晶格失配达到10%,但是CdCl2 气氛下的热退火处理可以使CdS 与CdTe 之间发生相互扩散, 形成CdS1- xTex 缓冲层,从而有效减少界面失配造成的界面态[3]。CdS 薄膜的制备方法通常有闭空间升华法(CSS),化学水浴沉积(CBD),溅射,电沉积,MOCVD。CBD 方法是最常用的制备CdS 薄膜的方法。由于CdS 在水中溶解度很低,溶液中Cd 离子和S 离子会结合沉积在衬底表面形成CdS 薄膜。由于CBD 方法镀膜速度较慢,工业生产中会涉及到大量废水处理的问题,真空方法镀CdS 膜成为近来研究的热点。CSS 方法在真空环境中通过热升华的方法制备CdS 薄膜。CS方法成膜质量高,沉积速度快,不涉及大量废水处理,适合工业化大规模生产,具有很大的开发前景。

3、总结

  本文使用化学水浴沉积的方法(CBD)和闭空间升华的方法(CSS)制备CdS 薄膜,并制成CdTe太阳能电池器件。CSS 方法制备的薄膜晶粒较CBD 方法大,其尺寸分布在150~200 nm。CSS CdS呈稳定性较好的六方结构,其带宽为2.42 eV,光学吸收边在500~550 nm 附近;CBD CdS 由立方结构和六方结构的混合相组成,带宽为2.38 eV,光学吸收边和CSS CdS 相比向长波长方向偏移。XPS测量结果表明,CSS CdS 的费米面位置略高于CBD CdS,使得结区自建势提高,有利于制备更高质量的太阳能电池。基于CSS CdS 薄膜制备的CdTe 太阳能电池转换效率达到10.9%, 和基于CBD CdS 薄膜制备的CdTe 太阳能电池相比有了进一步改善。光量子效率显示,在350~500 短波长波段,电池性能受限于CdS 窗口层对短波长光的吸收,基于CSS CdS 的电池在这个波长范围的表现略好于基于CBD CdS 的电池。CSS CdS 薄膜沉积时间较短,整个过程在真空室中完成,可以建成和CdTe 沉积设备连成一体的生产线,有利于CdTe电池大规模产业化的实现。

  【作者】 韩俊峰; 廖成; 江涛; 赵夔;

  【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)

  【机构】 北京大学核物理与核技术国家重点实验室;

  【摘要】 CdTe薄膜电池是发展最快、应用前景最好的一类太阳能电池。CdS层是CdTe电池的窗口层材料,其薄膜质量直接影响电池的转换效率。本文介绍了化学水浴沉积(CBD)和闭空间升华(CSS)两种方法沉积CdS薄膜,并完成单电池器件的制备和测试。CSS方法制备的薄膜结晶较大,光学和电学性能好于CBD方法制备的薄膜,太阳能电池的光电转换效率达到10.9%。CSS方法镀膜速度快,真空环境工作,有利于大规模产业化应用。

  【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.

  【关键词】 闭空间升华; 化学水浴沉积; 硫化镉; 薄膜太阳能电池;

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

  【基金】 北京市自然科学基金(H030630010120)