碲化镉薄膜太阳能电池及其溅射制备

　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:TM914.42

An Overvie w of CdT e Thin Film Solar Cells and R elevant Sputtering F abrication

ZHAN 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 2

sues 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 method

K ey w ords Cd Te ,thin film solar cells ,sputtering

0　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2

μm 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