CdTe薄膜太阳能电池结构分析

摘 要：CdTe薄膜太阳能电池是一种高效、稳定且相对低成本的薄膜太阳能电池。电池的p-n结由p-CdTe与n-CdS形成，电池结构有substrate及superstrate两种，文章分析结构中透明导电层、窗口层、吸收层、背电极的材料和特性。

关键词：CdTe；薄膜太阳能电池；电池结构

CdTe是Ⅱ-Ⅵ族的化合物半导体材料，具有直接带隙结构，其禁带宽度为1.45eV，正好位于理想太阳能电池的禁带宽度范围之间。此外，CdTe也具有很高的光吸收系数（>5×105/cm），因此仅仅2μm厚的CdTe薄膜，就足够吸收AM1.5条件下99%的太阳光。CdTe薄膜太阳能电池结构可分为substrate及superstrate两种。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。但是由于substrate结构的太阳能电池的品质较差（例如：CdS/CdTe的界面品质不佳、欧姆接触性差等），所以效率远比不上superstrate结构的太阳能电池，因此几乎所有的高效率CdTe薄膜太阳能电池都是采用superstrate结构[1]。

1 透明导电层

在CdTe太阳能电池中所使用的透明导电层，既要满足为形成低串联电阻而需的高电导率，又要为获得高入射以保证高光生电流而具有高透射率。目前，已在使用并作产业化努力的透明导电层有：SnO2、ITO、CdSnO4和AZO。AZO通常用作CIGS薄膜太阳能电池的透明导电层。它可以用不同种类的含有ZnO和Al靶溅射而成， Al在ZnO中作为施主。不过，这种薄膜在CdTe沉积过程中（大于550℃）会由于热应力而丧失掺杂性。但是由于这种材料成本比较低，人们还是希望最终能在CdTe薄膜太阳能电池得到更稳定的AZO薄膜。

2 n-CdS窗口层

CdS的禁带宽度在室温下约为2.4eV，它不会吸收波长大于515nm的太阳光，所以在整个结构上它被视为窗口层。为了让整个太阳能电池获得最高的电流密度，CdS必须相当地薄（约0.5μm）。然而因为CdS是多晶结构，容易造成局部分流或过量的正向电流。有人发现在TCO与CdS之间插入一层高电阻的透明氧化层（HRT层），可以有效改善这个问题，并且还能改善结的品质。可以作为高电阻氧化层的材料有SnO2、In2O3、Ga2O3、CdSnO4等。

3 CdTe吸收层和CdCl2处理

关于CdTe太阳能电池的薄膜制造，目前已有多种可行的技术可被采用[2]。

物理气相沉积法（Physical Vapor Deposition，PVD），是以物理机制来进行薄膜沉积的制造技术，所谓物理机制是指物质的相变化现象，例如进行沉积时，源材料由固态转化为气态再进行沉积。利用PVD法制备CdTe或CdS薄膜时，沉积反应是发生在一真空炉内，所使用的源材料可直接为CdTe或CdS化合物，或各自的元素物质。将源材料加热到800℃，使之挥发为气相分子，而以约1μm/min的速率沉积在距离约20cm远的衬底上。通常衬底的温度要保持在相对比较低的温度（～100℃），这样Cd及Te的黏附系数才会接近于1。衬底温度越高，黏附系数越低，因此沉积速率也变慢。但是，温度越低得到的多晶薄膜晶粒越小。所以一般应用上，衬底的温度都不会超过400℃。沉积出来的薄膜的化学计量比控制起来比较难，这与每个元素的平衡蒸汽压及源材料的化学计量有相当大的关系。

近空间升华法是目前被用来生产高效率CdTe薄膜电池最主要的方法。在这种方法中，蒸发源是被置于一容器内，衬底与源材料要尽量靠近放置，使得两者之间的温度差尽量小，从而使薄膜的生长接近理想平衡状态。使用化学计量准确的源材料，也可以得到化学计量准确的CdTe薄膜。因此，一般衬底的温度可以控制在450～600℃之间，而高品质的薄膜可以在大约1μm/min的速率沉积下得到。

气相传输沉积法制造CdTe薄膜时，固态的CdTe原料放在容器内，因受热而挥发出CdTe蒸汽，然后这些Cd/Te蒸汽会随着传输气体（N2、Ar、He、O2等）而传送到衬底表面，过饱和的Cd与Te会凝固而沉积在衬底表面形成CdTe薄膜。利用气相传输沉积法可以得到约与薄膜厚度相当的晶粒大小，而且沉積速率相当快。

所谓的溅射法，是指利用等离子体中的高能离子（通常是由电场加速的正离子，例如Ar+），在磁铁产生的磁力线作用下，加速撞击CdTe靶材表面，将CdTe表面物质溅出，而后在衬底上沉积而形成薄膜。而等离子体的产生方法有多种，包括直流、射频、微波等。通常沉积反应是发生在低于300℃的衬底上，而炉内压力约为10mtorr左右。如果在200℃沉积2μm的CdTe薄膜，所得到的晶粒大小约在300nm左右。

电解沉积法是将含有Cd2+及HTeO2+的电解液进行电化学还原反应，而得到Cd及Te并沉积而成CdTe薄膜。通过控制电解液内部的Cd与Te含量，可以控制所生长出来的薄膜的化学计量组成。

喷涂沉积法，是先在室温下将含有CdTe、CdCl2及丙二醇的化学浆料喷涂在衬底上，然后再经过几道高温热处理及致密化机械过程，而得到具有多孔性结构的CdTe薄膜。

金属有机化学气相沉积法，是在低压下使含有Cd及Te的有机金属，例如二甲基镉及二异丙碲，在反应炉中进行分解，并沉积在衬底上得到CdTe薄膜。沉积速率与衬底的温度有关。

丝网印刷法算是生产CdTe及CdS薄膜最简单的方法，它是将含有Cd、Te、CdCl2及含有有机结合剂的金属胶，通过一印刷板而印制到衬底上，再经过干燥过程去除有机溶剂后，接着加温到700℃左右做烧结反应，最后得到约10～20μm的再结晶化的CdTe薄膜。

几乎所有沉积技术所得到的CdTe薄膜，都必须再经过CdCl2处理[3]。CdCl2处理能够进一步提高CdTe/CdS异质结太阳能电池的短路电流，进而提高光电转换效率，原因是：（1）能够在CdTe和CdS之间形成CdS1-xTex界面层，降低界面缺陷态浓度；（2）导致CdTe膜的再次结晶化和晶粒的长大，减少晶界缺陷；（3）热处理能够钝化缺陷、提高吸收层的载流子寿命。将CdTe薄膜置于约400℃的CdCl2环境之下，CdCl2的存在促进了CdTe的再结晶过程。不仅比较小的晶粒消失了，连带着CdTe与CdS的界面结构也变得比较有序。

4 背电极

背电极通常是使用Ag或Al，它提供CdTe太阳能电池的一个低阻接触。但由于在p-CdTe上要形成良好的欧姆接触比较困难，所以在界面处不可避免地会出现肖特基接触的整流效应。而背电极又要求高导电性，所以它的厚度要做得很薄。

形成背电极的大部分技术，都包括以下几个步骤：（1）刻蚀CdTe表面，以产生富Te的表面状态，因此在CdTe与金属层之间产生p型重掺杂区域，这层p型重掺杂区域可降低金属与CdTe之间的势垒；（2）镀上Ag或Al等金属层；（3）在150℃以上热处理。

CdTe薄膜太阳能电池的转换效率并不会受温度太大的影响，输出功率相对稳定。在阴雨天或清晨黄昏，入射太阳光以散射光为主，在这样的弱光条件下，相同额定功率的CdTe薄膜太阳能电池的输出功率高于晶体硅太阳能电池。除此之外，CdTe可利用多种快速成膜技术制作，容易实现规模化生长，因此近年来对CdTe薄膜太阳能电池商业化的努力有增无减。

参考文献

[1]K Omura et al，Recent technical advances in thin-film CdS/CdTe solar cells[J].Renewable Energy ，1996，8（1）：405-409.

[2]N Romeo et al，Recent progress on CdTe/CdS thin film solar cells[J].Solar Energy，2004，77（6）：795-801.

[3]Lukas Kran zet al，Technological status of CdTe photovoltaics[J].Solar Energy Materials and Solar Cells， 2013（119）：278-280.

作者簡介：肖友鹏，工作单位：江西科技学院机械工程学院，研究方向：新能源材料与新能源发电。