非平面碲硒鎘薄膜太陽(yáng)電池組件制備研究

李青霄，張心會(huì)，李安琪，林彬娜，陳學(xué)義

(1.河南城建學(xué)院材料與化工學(xué)院，河南平頂山 467036；2.河南城建學(xué)院能源與建筑環(huán)境工程學(xué)院，河南平頂山 467036)

隨著可再生能源技術(shù)的不斷發(fā)展，能夠被集成在各種實(shí)體上的可再生能源尤其是太陽(yáng)能的需求與日俱增。在眾多太陽(yáng)能利用技術(shù)中，太陽(yáng)電池技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。人們?cè)絹?lái)越希望太陽(yáng)電池能夠集成到如交通工具、建筑和景觀(guān)等應(yīng)用場(chǎng)景中，這些應(yīng)用場(chǎng)景又必須兼顧其功能和美學(xué)需求。非平面太陽(yáng)電池組件由于恰好能夠兼顧上述應(yīng)用場(chǎng)景的功能性與美學(xué)需求，受到科研人員的關(guān)注，成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

在人們的印象中，太陽(yáng)電池組件通常是平面結(jié)構(gòu)，受材料性質(zhì)、制備和封裝工藝制約，如硅片易脆、柔性太陽(yáng)電池及組件亦絕非可任意撓曲，大面積非平面太陽(yáng)電池組件研制仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，為制備出非平面光伏電池組件，國(guó)際上進(jìn)行了曲面太陽(yáng)電池組件研制。考慮到晶硅太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定，技術(shù)成熟，因此，首選晶硅電池進(jìn)行曲面太陽(yáng)電池組件的研制。Budiman等[1]設(shè)計(jì)出專(zhuān)用的鋁型材模具和層壓機(jī)，利用薄晶硅電池片具有有限的可撓性特征，研制了曲面晶硅電池組件。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)采用晶硅太陽(yáng)電池小組件在彎曲支架上以拼接貼合的方式研制能夠應(yīng)用在汽車(chē)頂棚上的曲面太陽(yáng)電池組件[2]。另外，當(dāng)前鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)進(jìn)展迅速，各功能層易于沉積在非平面襯底上，合肥工業(yè)大學(xué)[3]、天津理工大學(xué)[4]和謝爾菲德大學(xué)[5]分別在非平面襯底上沉積制備鈣鈦礦太陽(yáng)電池組件。此外，有機(jī)太陽(yáng)電池技術(shù)的快速發(fā)展也為非平面太陽(yáng)電池研制提供了一種解決方案。華中科技大學(xué)[6-7]采用轉(zhuǎn)印技術(shù)制備出光電轉(zhuǎn)換效率為10.8%的有機(jī)太陽(yáng)電池，通過(guò)與基底剝離再與其他非平面實(shí)體貼合，研制成曲面太陽(yáng)電池。

上述曲面太陽(yáng)電池及組件研究和制備技術(shù)均取得了較大的進(jìn)展。已經(jīng)成功商業(yè)化的頂襯碲硒鎘薄膜太陽(yáng)電池以玻璃為基底，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光電轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好，集透光、隔熱和美觀(guān)于一體，適用于各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景，具有制備非平面太陽(yáng)電池的天然優(yōu)勢(shì)，然而其非平面電池組件制備研究報(bào)道卻甚少。本文基于頂襯碲硒鎘薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合玻璃基底形變溫度，考慮制作成本，采用頂襯碲硒鎘太陽(yáng)電池小面板，使用熱彎技術(shù)對(duì)其進(jìn)行非平面電池組件制備研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 玻璃熱彎

為獲得非平面頂襯碲硒鎘薄膜太陽(yáng)電池?zé)釓澇潭扰c溫度對(duì)應(yīng)值，先取玻璃基底進(jìn)行熱彎標(biāo)定，玻璃基底尺寸為7 cm×7 cm。使用管式爐對(duì)所選玻璃基底進(jìn)行熱彎，熱彎在常壓下進(jìn)行，爐管內(nèi)充氬氣保護(hù)，爐內(nèi)恒溫區(qū)域設(shè)定溫度分別為635、645、655 和665 ℃。圖1 給出了經(jīng)重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的玻璃熱彎工藝流程。熱彎之前，將玻璃基底樣品放置在有凹面的模具內(nèi)，然后將玻璃基底與模具從爐口緩慢推至靠近爐內(nèi)溫度300 ℃的區(qū)域預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間30 min；熱彎時(shí)，把玻璃基底與模具快速推至爐內(nèi)恒溫區(qū)域，待玻璃基底實(shí)測(cè)溫度為400 ℃時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，第5 min時(shí)記錄玻璃實(shí)測(cè)溫度，玻璃在高溫下因自重?zé)釓潱坏? min 時(shí)熱彎結(jié)束，將玻璃基底與模具快速拉至爐內(nèi)溫度300 ℃的區(qū)域降溫；最后，將玻璃基底拉至爐口自然降溫至200 ℃取出，放置在水平臺(tái)面上降至室溫。其中，計(jì)時(shí)7 min 是基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證頂襯碲硒鎘薄膜太陽(yáng)電池?zé)釓澓笮阅懿粫?huì)大幅衰減同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了熱彎目的的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。熱彎后的玻璃基底放置在水平臺(tái)面上，測(cè)量玻璃曲面最高點(diǎn)距水平臺(tái)面距離，以標(biāo)記彎曲程度。

圖1 玻璃熱彎工藝過(guò)程示意圖

圖2 為玻璃熱彎程度標(biāo)定示意圖。經(jīng)過(guò)重復(fù)驗(yàn)證，玻璃彎曲程度與玻璃實(shí)測(cè)溫度的對(duì)應(yīng)值如表1 所示。

表1 爐溫、玻璃溫度與玻璃熱彎程度對(duì)應(yīng)值

圖2 標(biāo)定玻璃彎曲程度示意圖

1.2 曲面小組件制備、表征和熱彎

頂襯碲硒鎘薄膜太陽(yáng)電池采用文獻(xiàn)[8]報(bào)道的制備工藝，期間，經(jīng)激光劃線(xiàn)制備成小組件。使用太陽(yáng)能模擬器（Newport Oriel，94043A-S 型）測(cè)試小組件的I-V 特性。然后篩選I-V 特性值相同的小組件樣品若干，使用1.1 節(jié)中的工藝在管式爐內(nèi)分別對(duì)所選小組件樣品進(jìn)行熱彎，熱彎時(shí)玻璃基底面朝向模具凹面。

2 結(jié)果與討論

圖3 給出了所選小組件I-V 特性參數(shù)隨熱彎溫度變化趨勢(shì)。圖4 給出了玻璃和電池小面板熱彎實(shí)物圖，其中圖4(a)是熱彎后的玻璃，圖4(b)是熱彎后電池小面板薄膜電池面。圖5 給出了更高溫度熱彎后功能膜層損傷狀況。圖6 給出了經(jīng)610 ℃熱彎前后小組件I-V 曲線(xiàn)對(duì)比。

圖3 小組件I-V特性參數(shù)隨熱彎溫度變化趨勢(shì)

圖4 熱彎的玻璃和碲硒鎘電池小面板

圖5 高溫后功能膜層出現(xiàn)針孔

圖6 小組件610 ℃熱彎前后I-V曲線(xiàn)對(duì)比

從圖3 中可以看出，隨熱彎溫度升高，頂襯碲硒鎘薄膜電池小組件VOC和FF的值呈現(xiàn)先增大后大幅下降趨勢(shì)。其中，熱彎溫度為610 ℃時(shí)，VOC和FF的值比熱彎前略有增大，JSC卻有一定程度的降低。造成這一現(xiàn)象的原因或許與以下因素有關(guān)：

(1)吸收層再結(jié)晶，熱彎過(guò)程實(shí)質(zhì)上是小電池組件退火處理的過(guò)程，退火處理是改善光伏器件性能的常用措施，適當(dāng)溫度的退火處理可使薄膜太陽(yáng)電池吸收層再結(jié)晶，再結(jié)晶有助于消除晶界缺陷，減少?gòu)?fù)合，空穴濃度增加，從而使VOC增大[9]；

(2)Cl 和Se 元素影響，熱彎過(guò)程中，更多Cl 元素補(bǔ)償吸收層中Te 空位，使n型施主的濃度大幅降低，同時(shí)降低了受主離化能，提高了空穴濃度[9-10]，Se 元素又具有鈍化點(diǎn)缺陷作用[11-12]，也相應(yīng)提高了空穴濃度，另外，Cl 元素有助于少子壽命增加，從而提高了FF[10]；

(3)高溫對(duì)功能膜層的影響，熱彎過(guò)程中更高溫度處理后，碲硒鎘電池小面板出現(xiàn)了大量針孔，如圖5 所示，表明盡管有氬氣保護(hù)，常壓下高溫對(duì)功能膜層還是存在一定的損傷，另外，爐管內(nèi)少量氧氣的存在對(duì)含碳背電極緩沖層和金屬背電極也有一定氧化作用，這二者亦是更高溫度致使非平面電池小組件性能衰減的因素；

(4)碲硒鎘與硫化鎘互擴(kuò)散影響，熱彎過(guò)程中尤其是高溫時(shí)碲硒鎘會(huì)與硫化鎘發(fā)生反應(yīng)，生成Cd-TexS1－x合金層，由于硫化鎘擴(kuò)散進(jìn)入碲硒鎘吸收層所需要的能量較低，因此，反應(yīng)過(guò)程主要是以硫化鎘擴(kuò)散進(jìn)入碲硒鎘為主，高溫時(shí)硫化鎘快速擴(kuò)散會(huì)造成其在空間上分布不均勻，甚至局部區(qū)域的硫化鎘被完全消耗掉，使碲硒鎘吸收層與前電極直接接觸，造成微觀(guān)漏電通道，引起VOC和FF下降，器件性能衰減[10]。

3 結(jié)論

本文利用頂襯碲硒鎘薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用玻璃熱彎技術(shù)，在大氣環(huán)境中使用管式爐對(duì)頂襯碲硒鎘薄膜太陽(yáng)電池小面板直接進(jìn)行熱彎，制備了非平面頂襯碲硒鎘薄膜太陽(yáng)電池小組件，使用I-V測(cè)試儀對(duì)其I-V 特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，所制備非平面電池小組件在610 ℃熱彎時(shí)，其VOC、JSC、FF和效率與未熱彎的小面板相比，未見(jiàn)明顯衰減；經(jīng)630 ℃熱彎后，所制備非平面電池小組件仍能保持不低于9%的光電轉(zhuǎn)化效率。該研究證明，當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)景需要非平面光伏電池時(shí)，可以直接通過(guò)熱彎頂襯碲硒鎘薄膜太陽(yáng)電池面板獲得，這為非平面頂襯碲硒鎘薄膜太陽(yáng)電池組件產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了一種制備方法。