CdTe薄膜电池器件制备及相关材料研究

【摘要】新能源是各国政府十分重视的一项工作,这其中就包含了太阳能。太阳电池是光伏发电系统的核心。属于第二代光伏电池的碲化镉电池是理想的光伏电池材料。现在国际上获得的有关CdTe电池实验室小面积测试的最高转换效率为16.5%,与理论值(>28%)相比还相差甚远,所以还有很大的提升空间。我们以商用ITO玻璃为基础,用化学水浴法(CBD)沉积了CdS薄膜,然后以近空间升华(CSS)技术沉积了CdTe薄膜,最后用真空物理蒸发沉积了背接触层CuxTe,制备了完整的CdTe薄膜电池,并分析了影响器件工作的关键因素。本文首先介绍了CdTe电池材料的基本性质及电池的研究进展,并简要介绍了CdTe电池的相关制备技术及关键技术工艺。我们对器件的每一部分都进行了研究,并且结合光生载流子的收集这个中心问题,剖析了器件中每一层的作用。为了优化CdS薄膜的透光性能,我们试图通过在沉积薄膜的过程中往反应溶液中添加了氧化剂来增加CdS薄膜的能隙,结果发现,氧化剂破坏了络合物网络,使得薄膜的晶粒大幅减小,使得量子限制效应开始显现,并增大了能隙。这意味着将有更多的短波光线透过CdS而被后面的CdTe层吸收,这将有助于产生更多的光生载流子从而提高薄膜的开路电压和短路电流。另外CdCl2氮气下退火,增加了CdS薄膜的载流子浓度。这有助于形成较大的内建电场,从而有利于大的开路电压。我们采用了CSS法制备了CdTe多晶薄膜。通过使用不同种类的衬底,改变气压,保护气组份的方式,我们生长出了性质不同的CdTe多晶薄膜。在不同的保护气组份下,我们逐渐增加氧分压,发现了氧在沉积过程中起到了促进成核中心的作用,会减小晶粒,增加晶界势垒,从而减小了载流子的迁移率。我们利用迁移率和载流子浓度的热激活机制,分别求出了晶界势垒和载流子激活能的确切数值。我们还发现,含氧气氛下沉积的CdTe薄膜的光吸收要高于没有不含氧环境沉积的薄膜。这会增强光生载流子的产生,能提高电池效率。最后我们制作了CdTe薄膜电池器件,从光生载流子的收集的角度分析了器件制备时关键点。我们研究发现,要制备优质的pn结,就需要CdS和CdTe之间充分的扩散,这需要较高的CdTe沉积温度以及CdCl2的退火处理。边界部分也需要通过退火来消除大量的缺陷能级。背接触层也同样重要。背接触层可以有效地消除背部肖特基势垒,提高光生载流子的分离和收集,从而提高了量子效率。而且背接触层也可以消除pn结1-V特性曲线当中的roll-over效应,这将减小串联电阻,有利于载流子的收集,提高电池效率。最终我们成功制备了效率达到9.3%的CdTe薄膜电池器件。
【作者】吕斌；
【导师】吴小山；
【作者基本信息】南京大学，凝聚态物理，2012，博士
【关键词】CdTe；薄膜电池；太阳能；

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