碲化镉薄膜太阳能电池及其溅射制备
碲化镉薄膜技术
碲化镉薄膜技术一、前言碲化镉（CdTe）是一种广泛应用于太阳能电池领域的半导体材料，其优异的光电性能使得它成为了高效、低成本的太阳能电池材料之一。
而碲化镉薄膜技术则是制备高效太阳能电池的关键步骤之一。
二、碲化镉薄膜制备方法1. 化学气相沉积法化学气相沉积法（CVD）是制备碲化镉薄膜的主要方法之一。
该方法利用气相反应在基底表面上生长出具有良好结晶性和较高质量的碲化镉薄膜。
在CVD过程中，通常采用氢气和甲基铟作为反应气体，将其通过加热后喷洒到基底表面上，形成CdTe晶体生长。
2. 溅射法溅射法是另一种常用的制备碲化镉薄膜的方法。
该方法利用离子束轰击靶材，将靶材中的CdTe原子释放出来并沉积在基底表面上。
溅射法可以控制CdTe薄膜的成分和结构，从而得到高质量的CdTe薄膜。
3. 其他方法除了CVD和溅射法之外，还有其他一些制备碲化镉薄膜的方法，如热汽相沉积法、电化学沉积法等。
这些方法各有优缺点，可以根据实际需要选择合适的方法。
三、碲化镉薄膜制备过程中的关键参数1. 温度在制备碲化镉薄膜时，温度是一个非常重要的参数。
温度过高会导致CdTe晶体生长速率过快，而温度过低则会影响CdTe晶体生长质量。
因此，在选择制备方法时需要考虑到适当的反应温度范围。
2. 压力在CVD和溅射法中，压力是一个重要参数。
压力过高会导致反应气体浓度不均匀，从而影响CdTe晶体生长质量。
因此，在制备过程中需要控制好反应气体压力。
3. 反应气体浓度在CVD中，反应气体浓度对于CdTe晶体生长速率及其质量都有很大影响。
因此，在制备过程中需要精确控制反应气体浓度。
4. 基底表面处理在制备碲化镉薄膜时，基底表面的处理也是非常重要的。
基底表面的不平整和杂质会影响CdTe晶体生长质量。
因此，在制备前需要对基底进行适当的清洗和处理。
四、碲化镉薄膜在太阳能电池中的应用碲化镉薄膜是太阳能电池中最重要的组成部分之一。
由于其优异的光电性能，碲化镉薄膜可以转换太阳光能为电能，并且具有高效、低成本等优点。
碲化镉的制备方法
碲化镉的制备方法
碲化镉是一种半导体材料，常用于光电器件和太阳能电池。
以下是碲化镉的制备方法：
1.准备镉和碲的前驱体：将高纯度的镉和碲化合物（如碲粉）准备好作为反应前驱体。
2.准备反应容器：选择一个合适的高温反应容器，如石英管或陶瓷舟。
3.反应装置预处理：将反应容器置于真空或保护气体环境中，并加热至适当的温度，通常在600°C至900°C之间。
4.反应前驱体加入：将镉和碲的前驱体加入预热的反应容器中，按预定比例混合。
5.反应过程：保持反应容器在适当的温度下，进行一段时间的反应，允许镉和碲反应生成碲化镉晶体。
6.冷却：在反应完成后，缓慢冷却反应容器，使产物冷却至室温。
7.粉碎和处理：将产生的碲化镉晶体取出，并进行粉碎和必要的处理，以得到所需的形式（如粉末或薄膜）。
碲化镉薄膜太阳能电池相关材料的制备与表征
碲化镉薄膜太阳能电池相关材料的制备与表征一、本文概述随着全球对可再生能源需求的不断增长，太阳能作为清洁、可再生的能源形式，受到了广泛的关注和研究。
碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池作为一种高效、低成本的太阳能电池技术，在近年来得到了快速的发展。
本文旨在深入探讨碲化镉薄膜太阳能电池的相关材料制备与表征技术，以期为进一步提高其光电转换效率和稳定性提供理论支持和实践指导。
本文将首先概述碲化镉薄膜太阳能电池的基本原理、发展历程和应用前景，然后详细介绍碲化镉薄膜材料的制备方法，包括溶液法、气相法等多种方法，并分析各种方法的优缺点。
接着，本文将探讨碲化镉薄膜的表征技术，如射线衍射、扫描电子显微镜、能谱分析等，以揭示碲化镉薄膜的结构、形貌和性能特点。
本文还将讨论碲化镉薄膜太阳能电池的光电性能评估方法，包括光电转换效率、稳定性等关键指标。
通过本文的研究，我们期望能够为碲化镉薄膜太阳能电池的研发提供有益的参考和启示，推动太阳能电池技术的不断创新和发展，为实现全球能源转型和可持续发展做出积极的贡献。
二、碲化镉薄膜太阳能电池的基本原理与结构碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池是一种基于光电效应原理，将太阳能转化为电能的装置。
其基本结构包括碲化镉光吸收层、透明导电层、背接触层和基底等几部分。
光吸收层是碲化镉太阳能电池的核心部分，由碲化镉材料构成，具有较宽的光吸收范围和较高的光吸收系数。
当太阳光照射到碲化镉薄膜上时，光子被吸收并激发出电子-空穴对。
这些电子-空穴对在材料内部发生分离，并分别向透明导电层和背接触层移动，形成光生电流。
透明导电层通常由氟掺杂的氧化锡（FTO）或掺铝氧化锌（AZO）等材料构成，具有高透光性和良好导电性。
它的主要作用是收集光生电子，并将其传输到外电路。
背接触层位于碲化镉光吸收层的背面，通常由金属或金属氧化物构成。
它的作用是收集光生空穴，并将其传输到外电路。
同时，背接触层还起到与基底连接的作用。
基底是碲化镉太阳能电池的支撑结构，通常由玻璃或不锈钢等材料构成。
我国碲化镉多晶薄膜电池取得新进展 转化效率达14.4%
我国碲化镉多晶薄膜电池取得新进展转化效率达14.4%日前，中国科学院电工研究所化合物薄膜太阳能电池研究组在CdTe多晶薄膜电池上取得新进展，该团队在普通廉价玻璃上制备出了厚度仅为2μm的CdTe多晶薄膜，经中国科学院太阳光伏发电系统和风力发电系统质量检测中心认证，其转化效率达到14.4%，距2012年报道的12.78%转化效率又上了一个台阶，这标志着电工所在CdTe薄膜太阳能电池研究方面取得重要进展。
CdTe为直接带隙半导体，室温带隙宽度为1.45eV，带隙值与太阳光谱非常匹配。
CdTe吸收系数大于104/cm，只需要1μm就可以吸收99%以上、波长小于826nm 的可见光。
厚度仅为硅太阳能电池厚度的1/100，制作周期短、成本低、适合于大规模生产。
因此，以CdTe薄膜太阳能电池为代表的薄膜太阳电池因其高转换效率、低成本和高稳定性倍受科研和产业关注。
今年2月，美国FirstSolar公司通过气相输运方法这种高温制备方法，制备的小面积CdTe太阳能电池的转化效率达到了20.4%，与多晶硅电池相同。
3月，组件的全面积效率达到了17.0%，这种技术的生产成本也率先降低到了$0.55/Wp，是生产成本最低的太阳能电池技术，但其规模生产工艺技术一直为美国少数企业所垄断。
此外，使用低温制备方法磁控溅射技术制备的CdTe多晶薄膜电池最高效率由美国Toledo大学保持，转化效率为14.5%。
此次，电工所在没有使用高阻层的情况下，采用全国产化设备和原料，制备出转化效率达到14.4%的CdTe电池，充分证明了只要研究好器件制备的工艺技术，就能做到国外相同的水平。
这一研究成果为我国CdTe薄膜太阳能电池的研究和产业化奠定了基础，将使我国在CdTe电池产业化得到长足发展。
以上工作得到了中国科学院百人计划择优支持、电工所所科研基金的大力支持。
碲化镉薄膜太阳能电池生产工艺流程
碲化镉薄膜太阳能电池生产工艺流程
碲化镉薄膜太阳能电池是一种高效、环保的新型太阳能电池，它的生产工艺流程主要由以下几个步骤组成。
第一步，制备透明导电玻璃基板。
透明导电玻璃基板是太阳能电池的重要组成部分，其主要作用是传输电荷和反射光线。
一般采用锡氧化铟(ITO)薄膜作为导电层，制备方法包括热氧化法、溅射法和离子束溅射法等。
第二步，沉积碲和镉层。
在透明导电玻璃基板上沉积碲层和镉层，制备p-n结。
常用的制备方法包括蒸发法、电化学法、化学浴沉积法等。
其中，化学浴沉积法是最为普遍的方法。
第三步，制备接触电极。
在碲化镉薄膜上制备透明导电电极和金属电极。
透明导电电极同样使用ITO薄膜，金属电极采用铝或钼等金属薄膜。
制备方法包括隔离焊接法、电镀法和真空沉积法等。
第四步，进行光照。
用太阳模拟器照射样品，通常在AM1.5G标准下进行，以测试电池的光电转换效率和输出功率。
第五步，进行测试和分类。
测量电池的I-V曲线，计算出其性能参数，如开路电压(Voc)、短路电流(Isc)、填充因子(FF)等。
然后将电池按照性能参数分类，分为等效类型和交流类型等。
第六步，进行封装。
将电池封装到玻璃或有机材料的保护层中，并接入阳极和阴极。
此时，就可以将其作为成品进行销售和使用。
以上就是碲化镉薄膜太阳能电池的生产工艺流程。
通过不断的优化和改进，这一工艺能够更好地满足人们对新能源的需求，为环保和可持续发展做出重要贡献。
CdTE碲化镉薄膜太阳能电池PPT课件
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04. 前景展望
前景
➢碲化镉薄膜太阳能电池正日益受到国内外的关注。
➢全球最大的碲化镉太阳能电池制造商——美国 First Solar公司正加速扩大产能，该公司正在德国建设 年产量100MW的工厂，该工厂得到欧盟4000万欧元的 投资。
➢同时，First Solar还计划在美国本土和亚洲分別建设 一 个100MW的工厂。
➢
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02. 研究进展
研究进展
历史
1.第一个 Cd Te 太阳能电池是由 RCA 实验室在 Cd Te单 晶上镀上 In 的合金制得的，其光电转换效率为2.1%。
2.1963年第一个异质结CdTe薄膜电池诞生， 效率达到7%，但还存在稳定性的问题。
3.1982 年，Kodak 实验室理由化学沉积法在 P 型的 Cd Te 上制备一层超模的 Cd S，制备了效率超过 10%的异 质结 p-Cd Te/n-Cd S 薄膜太阳能电池[2]这是现阶段 Cd Te 薄膜太阳能电池的原型。
[3]白治中. 高转换效率CdTe薄膜太阳电池制备及关键科学问题研究[D].中国科学技术大学,2012.
[4]肖友鹏. CdTe薄膜太阳能电池结构分析[J]. 科技创新与应用,2014,(25):177.
[5]孔继川,缪娟. 薄膜太阳能电池研究进展[J]. 化工时刊,2008,(07):60-64.
材料特点
CdTe太阳电池的高效结构
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。
碲化镉薄膜技术
碲化镉薄膜技术简介碲化镉薄膜技术是一种用于制备碲化镉（CdTe）薄膜的先进技术。
碲化镉薄膜在光电领域具有广泛应用，特别是在太阳能电池和光电探测器等方面。
制备方法物理气相沉积物理气相沉积是一种用于制备碲化镉薄膜的常见方法之一。
这种方法通常使用蒸发源或溅射源提供碲化镉材料，通过热蒸发或溅射在基底上沉积薄膜。
物理气相沉积具有制备高质量薄膜的优势，但设备复杂且成本较高。
化学气相沉积化学气相沉积是另一种常用的制备碲化镉薄膜的方法。
这种方法通常使用一种或多种精细化学品作为前体气体，通过在高温下分解和反应，使碲化镉薄膜在基底上生长。
化学气相沉积具有生长速度快、设备简单等优点，但对前体气体的纯度和稳定性要求较高。
物性和性能碲化镉薄膜具有许多良好的物性和性能，使其在光电领域得到广泛应用。
光学性能碲化镉薄膜具有良好的光学性能，其带隙范围可调节。
因此，可以通过控制碲化镉的组成和厚度来实现不同波长光的吸收和发射。
这使得碲化镉薄膜在光电器件中具有广泛的应用前景。
电学性能碲化镉薄膜的电学性能也非常重要。
通常，碲化镉薄膜具有良好的载流子传输性能和较低的电阻率。
这使得碲化镉薄膜可以用于制备高效率的太阳能电池和高性能的光电器件。
结构性能碲化镉薄膜的结构性能对其光电性能起着重要的影响。
通常，碲化镉薄膜具有多晶结构，但也可以通过优化制备工艺控制其晶格有序性和晶粒尺寸。
这对于提高薄膜的光电转换效率和增强其稳定性非常重要。
应用碲化镉薄膜在光电领域具有广泛的应用。
太阳能电池碲化镉薄膜在太阳能电池领域具有巨大的潜力。
碲化镉薄膜太阳能电池具有高光电转换效率、较低的制造成本和良好的稳定性等优点。
目前，碲化镉薄膜太阳能电池已经达到了较高的光电转换效率，并成为了商业化生产的重要太阳能电池技术。
光电探测器碲化镉薄膜也应用于光电探测器领域。
由于其优良的光电性能，碲化镉薄膜光电探测器具有高灵敏度和快速响应的特点，适用于光通信、红外成像和夜视等领域。
发展趋势碲化镉薄膜技术在不断发展中，未来有望在光电领域发挥更大的作用。
碲化镉薄膜太阳能电池的研究现状及进展
收 系数等 材料 特性 ， 适合 制备 高效 薄膜 太 阳 电池 ， 其
理论 转换 转化 率为 ２ ８
关键词 ： 碲化镉 ； 太 阳能 电池 ； 研 究 现 状 中 图分 类 号 － ＴＫ５ １ 文献标识码 ： Ａ
二 十一 世 纪 世 界 各 国加 速发 展 各 种 可 再 生 能
有 功率 温度 系数 低 和弱 光效 应 好 等 特 性 ， 表 明碲 化
镉 太 阳能 电池更 适于 沙漠 、 高温 等复 杂 的地 理 环境 ， 以及在 清晨 、 阴天 等弱 光环 境 下也 能 发 电 ； （ ３ ） Ｃ ｄ Ｔｅ
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ６ － １ ０ — １ １
； （ ２ ） Ｃ ｄ Ｔ ｅ相 比硅 材 料 具
作者简 介 ： 范 文涛 （ １ ９ ８ ７ ～ ） ， 男， 江西丰城人 ， 工程师 ， 硕 士
第 １ １ 卷
第 １ 期
范文涛 ， 等： 碲 化 镉 薄 膜 太 阳 能 电 池 的 研究 现 状 及 进 展
碲 化镉 薄膜 太 阳能 电池 结 构 简 单 ， 其 生 产 时 间 与硅 系太 阳能相 比大 大 缩短 ， 只 需几 小 时就 可 以完 成 由玻 璃 到成 品 的 出 货．目前 组 件 成 本 可做 到 ０ ． ５ 美 元／ ｗ 左右 ， 当组件 效 率上 升 ， 成 本还 有 进 一步 下
第 １ １卷
第 １ 期
材
料
研
究
与
应
用
Ｖｏ１． １１， Ｎｏ． １
碲化镉太阳能电池
碲化镉来自维基百科，自由百科全书（重定向碲化镉）碲化镉（CdTe）是一种结晶化合物，由镉和碲形成。
它被用来作为红外光学窗口和太阳能电池材料。
它通常是夹着硫化镉形成一个P-N结的光伏太阳能电池。
通常情况下，CdTe电池使用N-I-P结构。
内容1应用2物理性质2.1热性能2.2光学和电子特性3化学性质4毒性5可利用性6参见7参考8外部链接1应用另见：碲化镉光伏特性在制造薄膜太阳能电池中碲化镉是一个非常有用的材料。
碲化镉薄膜电池是一个符合成本效益的太阳能电池设计，并且理论最高效率比硅电池的高。
由于碲化镉太阳能电池的吸收谱峰值接近太阳发射光谱峰值，所以其理论最高效率比较高。
此外，CdTe电池在高温条件下的使用效果比硅电池更好。
碲化镉可以与汞形成合金，此合金是一种多功能红外探测器材料（碲镉汞）。
碲化镉掺杂少量锌的合金，可以制成一个很好的固态X射线和伽玛射线探测器（碲锌镉）。
碲化镉被用来作为红外，如光学窗口和镜头，但由于它具有毒性，所以限制了它的应用。
红外光学材料早期使用的型号是销售商标名称为CdTe Irtran – 6的产品，但是现在它已经过时了。
碲化镉也用于制作电光调制器。
在II - VI族化合物晶体的线性电光效应中具有较大的电光系数（R41 = R52 = R63 = 6.8 × 10-12 m / V）。
掺氯的碲化镉被用来制作X射线，γ射线，β粒子和α粒子辐射的探测器。
碲化镉可以在室温下工作，因此可以制作成紧凑型核光谱学探测器。
【1】用碲化镉制成的伽马射线和X射线探测器具有较高的性能，如高的原子数，大的能隙和高电子迁移率〜1100 cm2/ V · s，使其具有较高的μτ（移动寿命），因此其具有高的电荷收集系数和良好的光谱分辨率。
2. 物理性能晶格常数：0.648nm（在300K时）杨氏模量：52 GPa泊松比：0.41热性能热导率：6.2 W · m/m2 · K （293 K）比热容：210 J/kg·K （293 K）热膨胀系数：5.9×10−6/K （293 K）[2] 光学和电子特性从左到右分别为2~20nm尺寸的CdTe胶体量子点的荧光光谱，荧光红移是由于量子尺寸的限制。
碲化镉薄膜电池结构
碲化镉薄膜电池结构全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：碲化镉薄膜电池是一种高效的薄膜光伏技术，具有高光电转换效率和较高的稳定性，被广泛应用于太阳能光伏系统中。
在碲化镉薄膜电池结构中，包括基底材料、透明导电层、碲化镉吸收层、背电极等组成，每一部分都起着至关重要的作用。
基底材料是支撑整个碲化镉薄膜电池的基础，其性能直接影响了整个电池的稳定性和寿命。
常见的基底材料包括玻璃、不锈钢和塑料等，这些材料具有优良的机械强度和耐候性，能够承受电池运行过程中的压力和温度变化。
透明导电层位于基底材料之上，负责导通光电信号并保护碲化镉吸收层不受外界环境的影响。
常见的透明导电层材料包括氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(ZITO)等，这些材料具有良好的导电性和透明性，能够有效吸收阳光并转化为电能。
碲化镉吸收层是碲化镉薄膜电池的核心部分，是光伏转换过程中的能量转换器。
碲化镉吸收层具有直接能隙，能够有效吸收太阳光谱中的光子并将其转化为电子-空穴对。
碲化镉材料具有优良的光电性能和热稳定性，能够提高电池的光电转换效率和稳定性。
背电极是碲化镉薄膜电池中的反射层，负责接收碲化镉吸收层中的电子，并将其输送到外部电路中进行能量转换。
背电极材料通常选用钼、镍合金等具有良好导电性和光学性的材料，能够有效提高电池的输出功率和效率。
碲化镉薄膜电池结构设计合理、材料优质，能够确保电池具有较高的光电转换效率和稳定性。
随着光伏技术的不断发展和完善，碲化镉薄膜电池在可再生能源领域将会发挥越来越重要的作用，为人类社会的可持续发展做出贡献。
【以上内容总字数共512】第二篇示例：碲化镉薄膜电池是一种利用碲化镉薄膜作为光吸收材料制成的太阳能电池。
它具有高光电转换效率和稳定性的特点，是当前太阳能电池领域中备受青睐的一种新型光伏技术。
在碲化镉薄膜电池中，碲化镉薄膜是起到光电转换的作用，如何设计和制作碲化镉薄膜电池结构对其性能的提升至关重要。
碲化镉薄膜电池主要由底部电极、碲化镉薄膜、透明导电玻璃和顶部电极四个部分组成。
碲化镉发电芯片
碲化镉发电芯片
碲化镉发电芯片是一种特殊的芯片，它能够利用光能转化为电能。
其技术上被称为碲化镉薄膜太阳能电池，由碲化镉（CdTe）有机光电材料覆盖在普通玻璃上制成。
这种材料能将普通玻璃从绝缘体变成能够发电的太阳能电池。
该芯片的转换效率高达33%，具有高吸收率的结构和多晶硅前层的添加以提高其效率，因此在光伏领域中得到了广泛应用。
当太阳光照射到碲化镉表面时，光子能量被转化为电子能量，从而在碲化镉的导带和价带之间产生电子空穴对，形成电荷分离。
这些电荷被电场分离并收集，形成电流。
此外，碲化镉组件的效率取决于其吸收太阳光的能力，因此它们通常被设计为具有高吸收率的结构。
同时，它们还可以通过多晶硅前层的添加来提高其效率，从而提高其发电能力。
总而言之，碲化镉发电芯片是一种高效、环保的能源转换技术，为可再生能源的开发和利用做出了重要贡献。
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3上海海事大学青年骨干教师培养项目(No.025063) 张榕:通信作者 Tel :021********* E 2mail :rongzhang @碲化镉薄膜太阳能电池及其溅射制备3张 榕1,周海平2,陈 红3(1 上海海事大学基础科学部,上海200135;2 四川师范大学物理与电子工程学院,成都610066;3 上海交通大学物理系凝聚态光谱与光电子物理实验室,上海200030) 摘要 简单综述了化合物半导体碲化镉太阳能电池的发展历史、基本结构和核心问题,在此基础上重点总结了用溅射法制备的多晶碲化镉薄膜太阳能电池的优缺点、面临问题、发展现状,展望了它的发展趋势,并讨论了用溅射法制备渐变带隙碲化镉薄膜太阳能电池以提高转化效率的可能性。
关键词 碲化镉 薄膜太阳能电池 溅射法中图分类号:TM914.42An Overvie w of CdT e Thin Film Solar Cells and R elevant Sputtering F abricationZHAN G Rong 1,ZHOU Haiping 2,C H EN Hong 3(1 Basic Science Department ,Shanghai Maritime University ,Shanghai 200135;2 Department of Physics and Electronic Engineering ,Sichuan Normal University ,Chengdu 610066;3 Laboratory of Condensed Matter Spectroscopy and Opto 2electronic Physics ,Department of Physics ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030)Abstract This article firstly gives a brief overview to the development history ,basic structures and critical is 2sues of compound semiconductor Cd Te 2based solar cells ,then sheds light on the advatages and disadvantages ,current status ,and trend of development of the sputtered polycrystalline Cd Te thin film solar cells.Finally ,it also discusses the possibility to fabricate graded 2bandgap Cd Te solar cells by using the sputtering methodK ey w ords Cd Te ,thin film solar cells ,sputtering0 引言随着当今世界人口和经济的增长、能源资源的日益匮乏、环境的日益恶化以及人们对电能的需求量越来越大,太阳能的开发和利用已经在全球范围内掀起了热潮。
这非常有利于生态环境的可持续发展,造福子孙后代,因此世界各国竞相投资研究开发太阳能电池。
太阳能电池是一种利用光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的器件。
早在1839年,科学家们已经开始研究光生伏特效应,到20世纪40年代中期,太阳能电池的研制取得了重大突破,在单晶硅中发现了称之为Czochralski 的过程。
1954年,美国贝尔实验室根据这个Czochralski 的过程成功研制了世界上第一块太阳能电池,能量转换效率达到4%。
太阳能电池的问世,标志着太阳能开始借助人工器件直接转换为电能,这是世界能源业界的一次新的飞跃。
太阳能电池种类繁多,包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体电池和叠层太阳能电池等。
硅材料是目前太阳能电池材料(即光伏材料)的主流,这不仅因为硅在地壳中含量丰富,而且用它制成的电池转化效率相对较高。
单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率接近25%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。
但是单晶硅太阳能电池制作工艺繁琐,且单晶硅成本价格居高不下,大幅降低成本非常困难,无法实现太阳能发电的大规模普及。
随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其他材料为基础的太阳能电池愈来愈显示出诱人的前景。
目前国际低成本大规模生产技术的研究主要集中在多晶硅、大面积薄膜非晶硅、碲化镉(Cd Te )、铜铟硒(CuInSe 2)太阳能电池,Ⅲ2Ⅴ族化合物半导体高效太阳能电池,非晶硅及结晶硅混合型薄膜太阳能电池等方面。
与单晶硅太阳能电池相比,除多晶硅、砷化镓、铜铟硒、碲化镉等外,其他材料的电池光电转化效率普遍未超过15%。
尽管如此,硅材料仍不是最理想的光伏材料,这主要是因为硅是间接带隙半导体材料,其光学吸收系数较低,所以研究其他光伏材料成为当前的一种趋势。
其中,Cd Te 和CuInSe 2被认为是两种非常有应用前景的光伏材料,目前已经取得一定的进展,但是要将它们大规模生产并与晶体硅太阳能电池抗衡还需要投入大量的人力物力进行研发。
Cd Te 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 [1],最适合于光电能量转换,因此使得约2μm 厚的Cd Te 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27%[2]。
Cd Te 容易沉积成大面积的薄膜,沉积速率也高。
因此,Cd Te 薄膜太阳能电池的制造成本较低,是应用前景较好的一种新型太阳能电池,已成为美、德、日、意等国研发的主要对象。
目前,已获得的最高效率为16.5%(1cm 2),电池模块效率达到11%(0.94m 2)[2～4]。
然而,人们当前对Cd Te 太阳能电池的特点和发展趋势认识很零散,没有一个系统的、整体的了解。
此外,人们对用溅射法制备的多晶碲化镉薄膜太阳能电池的研究现状知之甚少。
本文考查了目前Cd Te薄膜太阳能电池的有关文献,归纳介绍了它的发展历史、基本结构以及核心问题;以及用溅射法制备该类电池的优缺点和面临的问题,展望了其发展趋势。
另外,优化设计渐变带隙的薄膜太阳能电池有利于提高转化效率。
本文也简要讨论了用溅射法制备渐变带隙碲化镉薄膜太阳能电池以提高转化效率的可能性。
1 碲化镉太阳能电池的发展历史、基本结构和核心问题 早在20世纪50年代中期,Jenny和Bube以及Kroger和Nobel就对碲化镉单晶体电子能带特性进行了阐述;而后在1959年,Nobel确定了Cd2Te相平衡、缺陷和Cd Te半导体性质之间的关系,这一关系后来又被其他的研究组进一步的完善。
基于n型Cd Te单晶和多晶膜太阳能电池在20世纪60年代早期被制备出来,它们是用Cd Te膜表面和铜酸盐溶液反应来形成Cd Te/Cu2Te异质结。
20世纪60年代中期,首次制成了基于p型Cd Te单晶和蒸镀而成的n型CdS膜的光伏电池,并且在70年代中期取得了中等大小的转化效率;那时,用单晶Cd Te制成的电池效率约10%,而制成的全多晶薄膜Cd Te/CdS 电池的效率则更高。
在这段时期,Bonnet在1972年也提出了Cd Te/CdS电池一些需要解决的基本问题如掺杂效率、突变结和缓变结、活性或非活性晶界以及低阻电极等。
到80年代早期,人们已经用各种制备方法制成了转化效率接近或超过10%上层配置(superstrate configuration)的Cd Te/CdS电池[5]。
到2004年为止,Cd Te电池转化效率最高为16.5%,且属于上层配置型。
玻璃是最常用的衬底材料,不过最近人们在努力研究发展基于聚酰亚胺(polyimide)和金属箔片的轻便型电池。
基于玻璃衬底的Cd Te电池效率一般在10%～16%,依赖于制备方法的多样性。
而在金属和聚酰亚胺衬底上的Cd Te轻便型电池效率分别已经达到7.8%和11%[6]。
这种轻便型太阳能电池具有高的特定功率(specific power,单位是W/kg),因而具有很多潜在的用途。
Cd Te制成多晶薄膜电池的优点除了带隙(1.45eV)接近于高效率电池的理想带隙因而光学吸收性能好外,另一个优点就是制备方法多样,有原子层外延、电沉积(electro2deposition)、无电沉积、喷雾法、近距离升华法(closed2space sublimation)、化学气相沉积、热壁蒸镀、丝网印刷、电子束蒸镀、激光消融、热蒸镀、分子束外延、金属有机物化学气相沉积和溅射法。
按照制备温度来分,像近距离升华法这样制备温度高于500℃的可以归为高温过程;而像电沉积、溅射法制备温度低于450℃可以归纳为低温过程[6]。
所有这些生长方法中,电沉积和近距离升华法是最常用的方法,到目前为止,长在玻璃衬底上的效率最高的Cd Te电池都是由这两种方法制备而成的[7]。
与多晶薄膜Cu(In,Ga)Se2(简称CIGS)太阳能电池结构类似,目前的多晶薄膜Cd Te电池的结构大致分为两种[6]:上层配置和底层配置(substrate configuration)(如图1所示)。
通常,上层配置的Cd Te电池比底层配置的转化效率高,因而适合作低成本电池模块(modules)以及能够将整个太阳光谱用于光伏转化的高效串叠型电池(tandem solar cells)。
在上层配置的电池中,Cd Te/CdS层一般长在透明导电的氧化物(TCO)覆盖的玻璃衬底上。
在生长温度低于550℃时,这些玻璃可选用廉价的钙钠玻璃(soda2lime glass);在高的生长温度(550～600℃)下,可以选用无碱玻璃(alkali2f ree glass)。
在Cd Te和CdS制备温度较低时,锡化铟氧化物(ITO)由于有高的光学透过率适合作前电极材料;在Cd Te和CdS制备温度较高时,氧化锡是最好的前电极材料,因为它本身的制备温度需要450～550℃[8]。
由于CdS带隙不是足够宽(2.4eV),在510nm 以下有明显的光学吸收;为了使光被Cd Te充分吸收,CdS层一般比较薄,约0.1μm,而CdT e层一般为2～10μm厚。
背电极材料可以各种各样,因为它们不需经历连续的高温薄膜层制备过程。
图1 CdT e电池的上层和底层两种配置的截面示意图Fig.1 Schem atic cross2section of“superstrate”and“substrate”conf igurations for CdT e thin f ilm solar cells在底层配置中(见图1),Cd Te长在金属箔片或者金属覆盖的玻璃衬底上。