碲化镉薄膜太阳电池

3.2.2 碲化镉太阳能电池原理——结构
光 光 背电极
背电极 聚酰亚胺衬底 光 光 结构 结构 金属衬底
superstrate结构是在玻璃衬底上依次长上透明氧化层（TCO ）、CdS、CdTe薄膜，而太阳光是由玻璃衬底上方照射进入，先 透过TCO层，再进入CdS/CdTe结。而在substrate结构，是先在适 当的衬底上长上CdTe薄膜，再接着长CdS及TCO薄膜。其中以 superstrate的效率最高。
CdTe太阳电池的优点及CdTe四个特殊的性质
• 使用CdTe太阳电池的优点之一是，用来制造CdTe及 CdS薄膜的技术相当多，而且大多适合大规模生产。 • CdTe四个特殊的性质， 1. CdTe有一个1.45eV的能隙，因此与太能辐射谱很好地 适配。 2. CdTe是“直接”能隙，它导致很强的光吸收。 3. CdTe强烈地趋向于生长成P型的半导体薄膜，能和CdS 形成PN异质结（CdS具有略宽的能隙2.4eV，在通常 的沉积技术中生长成为N型材料）。 4. 已经开发出简单的、适合于低成本产品的沉积技术。 • 以成熟技术制备的CdTe电池，可以期望电流密度达 27mA/c㎡，开路电压达880mV,从而AM1.5的效率为 18%。
分子式 摩尔质量 密度 熔点 沸点 溶解度 带隙 折射率 (nD) 化学性质
CdTe （Cadmium telluride） 240.01 g mol−1 5.85 g/cm3 1092 ℃ 1130 ℃ insoluble 1.45 eV （300 K, 直接带隙） 2.67 （10 µm） 能与HCl和HBr等酸反应, 形成有毒气体碲化氢和有毒镉盐
碲化镉的性质
Ⅱ-Ⅵ族化合物中最高的平均原子数，最低的熔点，最大的晶格 常数和最大的离子性。CdTe具有闪锌矿（ZnS）结构，键长度 2.806Å，晶格常数6.481Å。
碲化镉的晶体结构
CdTe薄膜式太阳电池发展历史
• CdTe算是在薄膜式太阳电池中历史最久， 也是被密集探讨的半导体材料之一。 • 1956年RCA即提出使用CdTe在太阳电池的 用途上 • 在1959年RCA利用将In扩散到p-型的 CdTe做出约2%的太阳电池。 • 在1979年时，法国的CNRS利用VTD法在 n-型的晶片上长出p-型的CdTe薄膜，而得 到＞7%的太阳电池。
3.2.4碲化镉薄膜太阳电池制造工艺 3.2.5碲化镉太阳能电池成本估算 3.2.6.碲化镉太阳能电池优势与缺陷 3.2.7 CdTe太阳电池的未来发展
3.2.1 引言
• 碲化镉是属于Ⅱ-Ⅵ族的化合物半导体，它具有直接 能隙，其能隙值为1.45eV,正好位于理想太阳电池的 能隙范围之间。 • CdTe也具有很高的光吸收系数（＞5×105/cm）。 仅仅2um厚的CdTe薄膜，就已足够吸收AM1.5条件 下99%的太阳光。使得CdTe成为一个可以获得高效 率的理想太阳电池材料之一。 • CdTe可利用多种快速成膜技术制作，由于模组化生 产容易，因此近年商业化的动作亦相当积极， CdTe/glass已应用于大面积屋顶建材。
第三章二讲、 CdTe薄膜太阳电池
3.2.1 引言 3.2.2 碲化镉太阳能电池原理——结构
3.2.2.1玻璃基板 3.2.2.2透明氧化层（TCO层） 3.2.2.3、n-CdS层 3.2.2.4、p-CdTe层 3.2.2.5 背面电极接触
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3.2.3 CdTe薄膜的制造技术
3.2.3.1 物理气相淀积法 3.2.3.2 真空沉积一升华/凝结（真空升华法） 3.2.3.3 气相传输淀积法（ VTD） 3.2.3.4 溅镀法 3.2.3.5、 电解淀积法 3.2.3.6 、喷涂淀积法 3.2.3.7 、有机金属化学气相淀积法 3.2.3.8、 丝网印刷淀积法
p-CdTe/n-CdS薄膜式太阳电池发展历史
• p-CdTe/n-CdS太阳电池的发展最早可以 追溯到1960年的中期 • 1977年就已经出现了11.7%效率的pCdTe/n-CdS太阳电池。 • 于是这样的p-CdTe/n-CdS结构变成最典 型的CdTe太阳电池，它主体是由约2um层 的p-CdTe层与仅0.5um厚的n-CdS形成， 光子吸收层主要发生与CdTe层。
Ⅱ一Ⅵ族化合物
吸收系数～105/cm
能隙为1．45eV
CdTe
CdTe多晶薄膜制备 技术较多，且简单 高效、稳定且相对 低成本
直接禁带半导体
碲化镉的性质及晶体结构
• CdTe是一种化合物半导体，在太阳能电池中一般作吸收
层。由于它的直接带隙为1.45eV，最适合于光电能量转
换，因此使得约2µm厚的CdTe吸收层在其带隙以上的光 学吸收率达到90%成为可能，允许的最高理论转换效率在 大气质量AM1.5条件下高达28%。
降低CdTe与金属电 极接触势垒 p型半导体 n型半导体 透明导电氧化层
CdTe太阳电池的原理
• 光通过玻璃衬底进入电池。光子横穿TCO层和CdS层。 这些薄膜虽然导致一些（不希望的）光吸收，但在光 伏电荷产生的过程中没有活性。 • CdTe薄膜是这种电池的活性吸收层。电子—空穴对 在接近结的区域产生。电子在内建场的驱动下进入N 型CdS膜。 • 空穴仍然在CdTe内，空穴的聚集会增强材料的P型电 导，最终，不得不经由背接触离开电池。电流由与 TCO薄膜和背接触连接的金属电极来引出。 • 由于CdTe对波长低于800nm的光有很强的吸收 （105cm-1），薄膜几微米的厚度将足以完全吸收可 见光。因一些实际设计的应用，常常选用大约3～ 7um的厚度。
• 除了以上这些同质p/n接面的发展外，从1960开始研 究CdTe的异质结太阳电池扩散。 • 最早期是在n-型的CdTe晶片或多晶薄膜上，长上p型的Cu2Te薄膜，这样n-CdTe/p- Cu2Te太阳电池 在1970年初期已可达到＞7%的效率。 • 在p-型单晶CdTe晶片上，长上异质结的氧化物薄膜， 例如In2O3:Sn(ITO)、ZnO、SnO2等也受到更广泛 的研究。例如在1977年就有人开发出效率达到 10.5%的p-CdTe/ITO太阳电池。 • 1987年已有人可以做出13.4%的p-CdTe/ITO太阳 电池。