CdTe薄膜太陽能電池結構分析

摘 要：CdTe薄膜太陽能電池是一種高效、穩定且相對低成本的薄膜太陽能電池。電池的p-n結由p-CdTe與n-CdS形成，電池結構有substrate及superstrate兩種，文章分析結構中透明導電層、窗口層、吸收層、背電極的材料和特性。

關鍵詞：CdTe；薄膜太陽能電池；電池結構

CdTe是Ⅱ-Ⅵ族的化合物半導體材料，具有直接帶隙結構，其禁帶寬度為1.45eV，正好位于理想太陽能電池的禁帶寬度范圍之間。此外，CdTe也具有很高的光吸收系數（>5×105/cm），因此僅僅2μm厚的CdTe薄膜，就足夠吸收AM1.5條件下99%的太陽光。CdTe薄膜太陽能電池結構可分為substrate及superstrate兩種。superstrate結構是在玻璃襯底上依次長上透明氧化層（TCO）、CdS、CdTe薄膜，而太陽光是由玻璃襯底上方照射進入，先透過TCO層，再進入CdS /CdTe結。而在substrate結構，是先在適當的襯底上長上CdTe薄膜，再接著長CdS及TCO薄膜。但是由于substrate結構的太陽能電池的品質較差（例如：CdS/CdTe的界面品質不佳、歐姆接觸性差等），所以效率遠比不上superstrate結構的太陽能電池，因此幾乎所有的高效率CdTe薄膜太陽能電池都是采用superstrate結構[1]。

1 透明導電層

在CdTe太陽能電池中所使用的透明導電層，既要滿足為形成低串聯電阻而需的高電導率，又要為獲得高入射以保證高光生電流而具有高透射率。目前，已在使用并作產業化努力的透明導電層有：SnO2、ITO、CdSnO4和AZO。AZO通常用作CIGS薄膜太陽能電池的透明導電層。它可以用不同種類的含有ZnO和Al靶濺射而成， Al在ZnO中作為施主。不過，這種薄膜在CdTe沉積過程中（大于550℃）會由于熱應力而喪失摻雜性。但是由于這種材料成本比較低，人們還是希望最終能在CdTe薄膜太陽能電池得到更穩定的AZO薄膜。

2 n-CdS窗口層

CdS的禁帶寬度在室溫下約為2.4eV，它不會吸收波長大于515nm的太陽光，所以在整個結構上它被視為窗口層。為了讓整個太陽能電池獲得最高的電流密度，CdS必須相當地?。s0.5μm）。然而因為CdS是多晶結構，容易造成局部分流或過量的正向電流。有人發現在TCO與CdS之間插入一層高電阻的透明氧化層（HRT層），可以有效改善這個問題，并且還能改善結的品質。可以作為高電阻氧化層的材料有SnO2、In2O3、Ga2O3、CdSnO4等。

3 CdTe吸收層和CdCl2處理

關于CdTe太陽能電池的薄膜制造，目前已有多種可行的技術可被采用[2]。

物理氣相沉積法（Physical Vapor Deposition，PVD），是以物理機制來進行薄膜沉積的制造技術，所謂物理機制是指物質的相變化現象，例如進行沉積時，源材料由固態轉化為氣態再進行沉積。利用PVD法制備CdTe或CdS薄膜時，沉積反應是發生在一真空爐內，所使用的源材料可直接為CdTe或CdS化合物，或各自的元素物質。將源材料加熱到800℃，使之揮發為氣相分子，而以約1μm/min的速率沉積在距離約20cm遠的襯底上。通常襯底的溫度要保持在相對比較低的溫度（～100℃），這樣Cd及Te的黏附系數才會接近于1。襯底溫度越高，黏附系數越低，因此沉積速率也變慢。但是，溫度越低得到的多晶薄膜晶粒越小。所以一般應用上，襯底的溫度都不會超過400℃。沉積出來的薄膜的化學計量比控制起來比較難，這與每個元素的平衡蒸汽壓及源材料的化學計量有相當大的關系。

近空間升華法是目前被用來生產高效率CdTe薄膜電池最主要的方法。在這種方法中，蒸發源是被置于一容器內，襯底與源材料要盡量靠近放置，使得兩者之間的溫度差盡量小，從而使薄膜的生長接近理想平衡狀態。使用化學計量準確的源材料，也可以得到化學計量準確的CdTe薄膜。因此，一般襯底的溫度可以控制在450～600℃之間，而高品質的薄膜可以在大約1μm/min的速率沉積下得到。

氣相傳輸沉積法制造CdTe薄膜時，固態的CdTe原料放在容器內，因受熱而揮發出CdTe蒸汽，然后這些Cd/Te蒸汽會隨著傳輸氣體（N2、Ar、He、O2等）而傳送到襯底表面，過飽和的Cd與Te會凝固而沉積在襯底表面形成CdTe薄膜。利用氣相傳輸沉積法可以得到約與薄膜厚度相當的晶粒大小，而且沉積速率相當快。

所謂的濺射法，是指利用等離子體中的高能離子（通常是由電場加速的正離子，例如Ar+），在磁鐵產生的磁力線作用下，加速撞擊CdTe靶材表面，將CdTe表面物質濺出，而后在襯底上沉積而形成薄膜。而等離子體的產生方法有多種，包括直流、射頻、微波等。通常沉積反應是發生在低于300℃的襯底上，而爐內壓力約為10mtorr左右。如果在200℃沉積2μm的CdTe薄膜，所得到的晶粒大小約在300nm左右。

電解沉積法是將含有Cd2+及HTeO2+的電解液進行電化學還原反應，而得到Cd及Te并沉積而成CdTe薄膜。通過控制電解液內部的Cd與Te含量，可以控制所生長出來的薄膜的化學計量組成。

噴涂沉積法，是先在室溫下將含有CdTe、CdCl2及丙二醇的化學漿料噴涂在襯底上，然后再經過幾道高溫熱處理及致密化機械過程，而得到具有多孔性結構的CdTe薄膜。

金屬有機化學氣相沉積法，是在低壓下使含有Cd及Te的有機金屬，例如二甲基鎘及二異丙碲，在反應爐中進行分解，并沉積在襯底上得到CdTe薄膜。沉積速率與襯底的溫度有關。

絲網印刷法算是生產CdTe及CdS薄膜最簡單的方法，它是將含有Cd、Te、CdCl2及含有有機結合劑的金屬膠，通過一印刷板而印制到襯底上，再經過干燥過程去除有機溶劑后，接著加溫到700℃左右做燒結反應，最后得到約10～20μm的再結晶化的CdTe薄膜。

幾乎所有沉積技術所得到的CdTe薄膜，都必須再經過CdCl2處理[3]。CdCl2處理能夠進一步提高CdTe/CdS異質結太陽能電池的短路電流，進而提高光電轉換效率，原因是：（1）能夠在CdTe和CdS之間形成CdS1-xTex界面層，降低界面缺陷態濃度；（2）導致CdTe膜的再次結晶化和晶粒的長大，減少晶界缺陷；（3）熱處理能夠鈍化缺陷、提高吸收層的載流子壽命。將CdTe薄膜置于約400℃的CdCl2環境之下，CdCl2的存在促進了CdTe的再結晶過程。不僅比較小的晶粒消失了，連帶著CdTe與CdS的界面結構也變得比較有序。

4 背電極

背電極通常是使用Ag或Al，它提供CdTe太陽能電池的一個低阻接觸。但由于在p-CdTe上要形成良好的歐姆接觸比較困難，所以在界面處不可避免地會出現肖特基接觸的整流效應。而背電極又要求高導電性，所以它的厚度要做得很薄。

形成背電極的大部分技術，都包括以下幾個步驟：（1）刻蝕CdTe表面，以產生富Te的表面狀態，因此在CdTe與金屬層之間產生p型重摻雜區域，這層p型重摻雜區域可降低金屬與CdTe之間的勢壘；（2）鍍上Ag或Al等金屬層；（3）在150℃以上熱處理。

CdTe薄膜太陽能電池的轉換效率并不會受溫度太大的影響，輸出功率相對穩定。在陰雨天或清晨黃昏，入射太陽光以散射光為主，在這樣的弱光條件下，相同額定功率的CdTe薄膜太陽能電池的輸出功率高于晶體硅太陽能電池。除此之外，CdTe可利用多種快速成膜技術制作，容易實現規?；L，因此近年來對CdTe薄膜太陽能電池商業化的努力有增無減。

參考文獻

[1]K Omura et al，Recent technical advances in thin-film CdS/CdTe solar cells[J].Renewable Energy ，1996，8（1）：405-409.

[2]N Romeo et al，Recent progress on CdTe/CdS thin film solar cells[J].Solar Energy，2004，77（6）：795-801.

[3]Lukas Kran zet al，Technological status of CdTe photovoltaics[J].Solar Energy Materials and Solar Cells， 2013（119）：278-280.

作者簡介：肖友鵬，工作單位：江西科技學院機械工程學院，研究方向：新能源材料與新能源發電。