CdTe薄膜太阳能电池的研究进展

刘丹

摘要：近年来，随着人们危机意识的不断增强，能源问题开始引起大家的关注，加之煤炭、石油等不可再生能源的减少，各个国家开始不断推进对可再生能源的研究，其中太阳能以其应用范围广、数量多等优势备受人们关注。在国际光伏市场迅猛发展的推动下，各国电池制造业也开始投入巨资以加大对太阳能电池研究开发，从而致使世界太阳能电池的产量不断增加。调查表明，在2016年，世界光伏新增装机容量达76.6GW，同比增长52.9%，其中仅中国光伏发电新增装机容量已达54.54GW，同比增长128.5%。晶体硅太阳能电池以其使用时间长，转换效率高等优势在太阳能电池产业的发展中占据主导地位，在全球光伏市场约占90%份额，其中多晶硅电池占2/3。2016年我国多晶硅料的产量为19.4万吨，虽然产量在持续提升，但仍然无法满足国内需求，这表明多晶硅太阳能电池在我国拥有广阔的市场，具有很大的发展潜力。

关键词：CdTe；薄膜电池；太阳能

当今世界各国生产太阳能电池，普遍采用的办法是直接由原材料到电池的工艺，即发展薄膜太阳能电池技术，取代由硅原料、硅锭、硅片到電池的工艺路线。

当前世界范围内各国主要采用的薄膜太阳能电池技术有a-Si（非晶硅薄膜电池）、CIGS（铜铟镓硒薄膜电池）、CdTe（碲化镉薄膜电池）等。但是CdTe电池和其他电池相比，具有制作方法简单，成本低等优势，被我们广泛应用。与此同时，我国的专家学者不断致力于CdTe薄膜电池的研究，以提高其转换效率，造福于社会大众。

1 CdTe薄膜太阳能电池的结构与原理

图1所展示的是上衬底CdTe薄膜太阳能电池能带结构，这种上衬底结构因其具有较高的转换效率，稳定的电池性能和较低的使用成本而被人们广泛使用。

根据图1，我们可以看出该结构是以透明度较好的玻璃作为衬底，以起到支撑和便于阳光进入的作用；其次是TCO层，该层的主要作用是透光和促进电的传导；再次即CdS窗口层，该层采用了n型的半导体；然后是CdTe吸收层，它是整个太阳能电池中的核心，起到了主要的吸收作用；最后是背电极，降低CdTe吸收层与金属电极的接触，最大限度的引出电流。接下来我们将纤细地对CdTe薄膜太阳能电池的各个层次进行介绍。

1.1 T00前电极

根据图1我们可以看出，CdTe薄膜太阳能电池能的透明导电氧化物薄膜是直接沉积到玻璃上的，TCO层与玻璃衬底密不可分。为了最大程度的吸收太阳光，我们选取了透明度较高的玻璃衬底，以方便阳光射入。当前TCO被广泛地应用到太阳能电池中，成为电池制造中不可缺少的一部分。为了使透明导电氧化物薄膜的适用范围更加广泛，我们将TCO层设置了3eV以上的禁带宽度。目前，常见的TCO有：FTO、ITO、AZO、CTO和ZnO：F。

1.2 CdS窗口层

CdS是薄膜太阳能电池的缓冲层，CdS的制备方法多种多样，比较常见的制备方法有ED、CBD、MBE、MOCVD、SP和PVD等。CdS薄膜的化学性能比较稳定，它能透过大部分的太阳光，是一种很好的光伏材料、它也有其固有缺点，例如它的禁带宽度偏低，会造成较大的电流损失，从而影响太阳能电池的性能。CdS薄膜在实际应用中还存在吸光过度的问题，为解决这个问题，科学家们尝试了很多方法，例如在玻璃衬底上添加一层氧化物，防止与TCO的直接接触，增加CdS禁带宽度等，但是效果都不明显。这些问题值得我们进一步地去研究，以寻求最佳解决方案。

1.3cdre吸收层

CdTe具有理想的禁带宽度，其禁带宽度为1.25eV，该宽度与太阳光谱相匹配，从而有利于太阳能的转换；CdTe拥有很高的吸收数，其吸收数为105cm-1，该吸收数是太阳光能够最大程度的被吸收。上述两个特征使得CdTe非常适合做太阳能电池的吸收层。CdTe的制作方法有很多，其中按其沉积温度可划分为高温和低温沉积两种。低温沉积温度一般低于450摄氏度，高温沉积一般高于550摄氏度，不过还是高温沉积在太阳能电池的制作中应用更为广泛。

1.4背电极

如图1所示，背光极金属主要是与CdTe吸收层相连接，一般来说，背光极金属与吸收层之间都会有设置一个缓冲层，该缓冲层得存在一定程度上可以解决CdTe吸收层的高功函数问题，使得电流能够顺利地到达金属层。在缓冲层的制作上，我们一般选用CuTe或者是功函数较高匹配较好的材料，以最大限度提高太阳能电池电压。

2 CdTe薄膜太阳能电池材料的研究情况

从全球范围上看，我们对太阳能电池的研究于19世纪30年代在美国开始，世界上第一个硅太阳能电池亦是由美国的贝尔实验室研究出来的，研究成功为太阳能电池的研究开发奠定了良好的基础，由于受当时科学发展技术的限制，最初太阳能电池的能源主要依赖于光电的转换。随着科研人员对太阳能电池研发的不断深入，科学家们经过不断地实验发现CdTe的宽度不仅与太阳光谱相匹配，而且其对太阳光的吸收度也很好，加之制作方法简单，应用广泛等优势，使得人们开始了对CdTe薄膜太阳能电池进行研究，但是在最初的研究阶段，并未取得显著性的成果，电池转换率太低，不能满足人们的需求。经过研究人员数年的努力，直至20世纪80年代，才取得初步成果，将CdTe薄膜太阳能电池的转换率提高了10%。在1980年，我国也开始了对CdTe薄膜太阳能电池的研究，但是最初的研究成果并不理想，其转换效率仅为5.9%，此后近十年中，我国的研究陷入停顿阶段，直到20世纪90年代末期，在国家的大力支持下，我国才又开始对CdTe的研究，经过众多科研人员的努力，我国对CdTe电池的研究取得重大成果，领先于众多国家。

3 GdTe太阳能电池材料的制备方法

CdTe薄膜太阳能电池的生产方法多种多样，但是因CSS（近空间升华法）所具有研究设备简单，沉积速度快和研究成本低等优势，使得该方法被广泛应用到电池的生产制造中，图2所列示的就是近空间升华法。通过观察图2，我们可以发现4-衬底和5-CdTe源之间并未直接接触，有一定的距离，但是其距离不要太远，将其控制在2-5mm，缩小二者温度差。我们将4衬底的温度控制在550-650摄氏度之间，5-CdTe源温度控制在600-690摄氏度之间。在反应时，我们将反应室空气抽空，并放入氮气作为保护气。

4结语

碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池是一种以p型CdTe和n型Cd的异质结为基础的薄膜太阳能电池，具有理想的禁带宽度、高光吸收率、转换效率高、电池性能稳定和电池结构简单等优点。为缓解能源危机，我国应加大对CdTe（碲化镉）薄膜太阳能电池的研究，以促进CdTe电池产业化发展。