專利名稱：具有過渡層的碲化鎘太陽(yáng)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
碲化鎘(CdTe)太陽(yáng)電池是一種化合物半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)電池。其基本結(jié)構(gòu)為透明導(dǎo)電膜(T)/n-型硫化鎘(C)/p-型碲化鎘(P)/導(dǎo)電背電極(M)，如

圖1所示。導(dǎo)電背電極常用摻銅的石墨電極。然而，由于p-型半導(dǎo)體與導(dǎo)電電極之間難于形成良好的歐姆接觸，從而抑制了這類電池的光電轉(zhuǎn)換效率。這已成為發(fā)展這類電池需解決的關(guān)健問題。
美國(guó)埃米泰克(Ametek)公司1990年申請(qǐng)的4977.097號(hào)專利，以及美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(NREL)、科羅拉多礦業(yè)學(xué)院(CSM)均提出了一種在P-型碲化鎘層(P)與導(dǎo)電背電極之間加入一層P-型碲化鋅薄膜(2)作為背接觸層的太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，如圖2所示。這層碲化鋅膜的摻雜劑為銅或氮，正常的摻雜原子濃度在3％-8％范圍內(nèi)，厚度為250-1200。這種結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池雖然性能大為改善填充因子提高10％左右，開路電壓提高3％左右，但是該結(jié)構(gòu)還存在明顯不足1.碲化鋅中摻雜劑的加入，使碲化鋅的晶格與相鄰的碲化鎘的失配加劇，在兩者之間形成較高的界面態(tài)，從而降低了太陽(yáng)電池的性能。2.碲化鋅中的摻雜劑原子，或石墨電極中的銅原子能較快地向碲化鎘擴(kuò)散，導(dǎo)致電池性能發(fā)生衰降。3.因?yàn)轫诨k為多晶薄膜，具有大量的晶粒間界及局部微孔。它們會(huì)形成微小的漏電通道，較高導(dǎo)電率的碲化鋅不能對(duì)這些缺陷起修飾作用，因而這類電池仍有較小的旁路電阻。這就抑制了填充因子和開路電壓，從而也壓抑了光電效率。
本發(fā)明的目的就是為了消除上述缺陷，進(jìn)一步改進(jìn)這類太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得到較高的旁路電阻，提高填充因子和開路電壓，從而獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案的基本構(gòu)思是在碲化鎘與背接觸層之間加入碲化鋅過渡層。本發(fā)明所說的背接觸層是指P-型碲化鋅或?qū)щ姳畴姌O。也就是說可以在碲化鎘與P-型碲化鋅之間加入碲化鋅過渡層；也可以在碲化鎘與導(dǎo)電背電極之間加入碲化鋅過渡層。
采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使太陽(yáng)電池的耗盡區(qū)加寬，界面復(fù)活降低，堵塞漏電流通道。從電池性能測(cè)量上表現(xiàn)為旁路電阻從不到400Ω.cm2提高到800Ω.cm2以上；提高填充因子5％以上，開路電壓也有所提高。下面給出測(cè)得的典型結(jié)果樣品轉(zhuǎn)換效率 填充因子 開路電壓 短路電流密度無過渡層 11.2％ 65％ 760MV 21.2mA/cm2有過渡層 12.1％ 73.18％795MV 20.8mA/cm2
此外，本發(fā)明過渡層能阻擋P-型碲化鋅的摻雜劑原子向碲化鎘擴(kuò)散，從而減緩了這種電池在長(zhǎng)期使用或存放后的衰降，即提高了穩(wěn)定性。
圖3、圖4是具有過渡層的太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)圖。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳述本發(fā)明。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖3、4所示。以原太陽(yáng)電池為基礎(chǔ)，在P-型碲化鎘(P)與P-型碲化鋅(Z)之間加入碲化鋅過渡層(B)(圖3)，或在P-型碲化鎘(P)與導(dǎo)電背電極(M)之間加入碲化鋅過渡層(B)(圖4)。作為背觸層的P-型碲化鋅膜，一般正常摻雜的摻雜劑原子濃度在3％-8％范圍內(nèi)。而本發(fā)明加入的碲化鋅過渡層則是不摻雜的碲化鋅，也可以是低摻雜的碲化鋅。低摻雜的摻雜劑原子濃度低于3％。在制備低摻雜碲化鋅過渡層時(shí)，在整個(gè)過渡層中的摻雜劑濃度可以是均勻的，即選擇一確定的摻雜濃度；也可以是變化的，并可有兩種情況即摻雜劑濃度在過渡層的厚度方向可以從0增加到正常摻雜水平(呈線性變化)，也可以是低于或等于正常摻雜濃度水平的起伏變化(呈曲線變化)。
根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，碲化鋅過渡層可以由不摻雜層或低摻雜層分別單獨(dú)構(gòu)成，也可以用不摻雜區(qū)和低摻雜區(qū)迭加構(gòu)成。特別是在(P)與(M)之間加入過渡層(B)的情況下，采用迭加的過渡層更加合適。
過渡層(B)的厚度應(yīng)大于20，以100A～800為宜，但大于1000也會(huì)有良好的作用。
碲化鋅過渡層的摻雜劑為銅或氮，或其它能提供受主原子的摻雜劑。
碲化鋅過渡層的制備與作為背接觸層的P-型碲化鋅的制備，可以采用相同的設(shè)備與基本相同的工藝。
本發(fā)明過渡層的作用是1.過渡作用。該層與碲化鎘相鄰處，摻雜濃度低，甚至為0，使晶格畸變小，能與碲化鎘晶格有良好的匹配；與正常摻雜碲化鋅相鄰處，也有與之相近的摻雜濃度，兩者間也會(huì)有良好的晶格匹配。2.由于過渡層本身是不摻雜或低摻雜的，或者它包含了足夠厚的不摻雜或低摻雜區(qū)，因而能有效地阻擋背接觸層(P-型碲化鋅或?qū)щ婋姌O)中的摻雜劑原子，特別是銅原子，向碲化鎘擴(kuò)散。3.因過渡層本身電導(dǎo)率很低，或包含有足夠厚度的低電導(dǎo)率部份，如不摻雜碲化鋅，其電導(dǎo)率比正常摻雜碲化鋅低約4～5個(gè)量級(jí)。因此，它能很好地起著堵塞碲化鎘中漏電通過的作用。使旁路電阻提高，從而有利于填充因子和開路電壓的提高。4.對(duì)于光伏效應(yīng)，緩變結(jié)比突變結(jié)有利。本發(fā)明所述過渡層就是形成緩變結(jié)，從而有利于光生載流子的收集，從而達(dá)到提高光電轉(zhuǎn)換效率的根本目的。
本發(fā)明實(shí)施例中采用的樣品為透明導(dǎo)電膜/硫化鎘/碲化鎘結(jié)構(gòu)(TCO/Cds/CdTe)。經(jīng)退火處理，再經(jīng)腐蝕的去掉碲化鎘表面的氧化層，即可制備太陽(yáng)電池。
實(shí)施例一用射頻濺射法靶為純度達(dá)5個(gè)9的碲化鋅，樣品溫度為室溫，濺射氣體為氬，氣壓15毫乇，射頻功率為40～50W，待所有工作參數(shù)調(diào)整好以后，打開靶與樣品間的隔板，沉積200的不摻雜碲化鋅過渡層(B)。然后向?yàn)R射室中引入氮?dú)?，其氮與氬的氣壓比為2％～5％，再制備氮摻雜的P-型碲化鋅背接觸層(Z)，厚度約600。
實(shí)施例二用真空蒸發(fā)法蒸發(fā)源分別為純度達(dá)5個(gè)9的銅與碲化鋅。樣品溫度為室溫，基礎(chǔ)真空為2×10-6乇。先對(duì)碲化鋅蒸發(fā)源加熱，調(diào)整蒸發(fā)速率在2-6/秒范圍內(nèi)，打開蒸發(fā)源與樣品之間的隔板，在樣品上沉積出一層100碲化鋅。隨即對(duì)銅蒸發(fā)源加熱，由于銅蒸發(fā)速率的逐漸增加，沉積出摻雜濃度逐漸增加，厚度約500的P-型碲化鋅層。上述兩層構(gòu)成了本發(fā)明所述的過渡層(B)。最后，可選擇好兩種蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率，如碲化鋅選8/秒，銅選0.2/秒，可沉積出銅原子濃度約6％，厚度約500A的P-型碲化鋅背接觸層(Z)。
實(shí)施例三
用實(shí)施例二的方法先沉積50不摻雜碲化鋅層。關(guān)掉樣品與蒸發(fā)源間的隔板，再對(duì)銅蒸發(fā)源加熱，并調(diào)整好銅和碲化鋅蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率，如碲化鋅可選6/秒，銅可選0.1/秒。打開隔板，再沉積出銅原子濃度約3％，厚度約600的P-型碲化鋅。以上兩層共同構(gòu)成了過渡層(B)。最后，可沉積出正常摻雜的P-型碲化鋅背接觸層(Z)，也可以直接沉積導(dǎo)電背電極(M)。
權(quán)利要求
1.一種碲化鎘太陽(yáng)電池，其結(jié)構(gòu)為透明導(dǎo)電膜(T)/n-型硫化鎘(C)/p-型碲化鎘(P)/p-型碲化鋅(Z)背接觸層/導(dǎo)電背電極(M)，其特征是在碲化鎘(P)與背接觸層之間加入碲化鋅過渡層(B)，所說的背接觸層為P-型碲化鋅(Z)或?qū)щ姳畴姌O(M)。
2.如權(quán)利要求1的太陽(yáng)電池，其特征是碲化鋅過渡層為不摻雜或低摻雜的。
3.如權(quán)利要求1的太陽(yáng)電池，其特征是碲化鋅過渡層由不摻雜區(qū)與低摻雜區(qū)迭加構(gòu)成。
4.如權(quán)利2或3的太陽(yáng)電池，其特征是所說的低摻雜是指摻雜劑原子濃度低于3％。
5.如權(quán)利要求4的太陽(yáng)電池，其特征是碲化鋅過渡層的摻雜濃度是均勻的或變化的。
全文摘要
具有過渡層的碲化鎘太陽(yáng)電池，屬于一種半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在碲化鎘(P)與背接觸層[P-型摻雜碲化鋅(Z)或?qū)щ姳畴姌O(M)]之間加入不摻雜或低摻雜或兩者迭加的碲化鋅過渡層(B)。其摻雜濃度可以是均勻的，也可以是隨過渡層厚度變化的，厚度在20以上。該過渡層能改進(jìn)原相鄰兩層之間的晶格匹配，阻止背接觸層中的摻雜劑原子或金屬原子向碲化鎘擴(kuò)散，堵塞碲化鎘的漏電通道。從而提高了這種電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01L31/18GK1120246SQ9511143
公開日1996年4月10日 申請(qǐng)日期1995年7月20日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月20日
發(fā)明者馮良桓, 蔡亞平 申請(qǐng)人:四川聯(lián)合大學(xué)