一種碲化鎘薄膜太陽能電池的電子反射層及制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜太陽能領(lǐng)域，尤其涉及一種碲化鎘薄膜太陽能電池的電子反射層及制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碲化鎘薄膜太陽能電池是一種以P型碲化鎘(CdTe)和η型硫化鎘(CdS)的異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)的薄膜太陽能電池，基于成本和效率的考慮下，近年來以成為最有潛力的太陽能電池之一，碲化鎘的能隙大約1.5電子伏特(eV)，理論上是可以使ρ-η結(jié)太陽能電池在AM 1.5太陽光譜下產(chǎn)生近乎最高轉(zhuǎn)換效能的能隙，碲化鎘大能隙所產(chǎn)生較小的溫度系數(shù)使得碲化鎘薄膜太陽能電池的年發(fā)電量高于其他太陽能電池技術(shù)，此外，碲化鎘極佳的光學(xué)吸收系數(shù)使得吸收層只需要數(shù)微米厚(是典型晶硅太陽能電池吸收層厚度的百分之一)，高效能碲化鎘薄膜太陽能電池可以由多種不同的制程方法達(dá)成，主要是因?yàn)槠潆娦院徒Y(jié)構(gòu)通常在制程后處理(post-deposit1n treatment)過程中達(dá)到優(yōu)化,較經(jīng)濟(jì)的制成方法已經(jīng)被用來大規(guī)模生產(chǎn)大尺寸的太陽能模塊，目前19.6%的碲化鎘太陽能電池轉(zhuǎn)換效能和16.1%的碲化鎘模塊轉(zhuǎn)換效能已經(jīng)達(dá)成，此里程碑已展示了碲化鎘薄膜太陽能電池之潛力。然而，碲化鎘太陽電池的轉(zhuǎn)換效能還是遠(yuǎn)低于其理論最大轉(zhuǎn)換效能(約29%)，為了進(jìn)一步的提升其轉(zhuǎn)換效能，一種提升碲化鎘太陽能電池之開路電壓的能帶結(jié)構(gòu)在這里被說明。
[0003]典型的碲化鎘薄膜太陽電池是一個長在透明玻璃基板上的多層膜光電組件，其典型組件結(jié)構(gòu)為:玻璃基板/透明電極/n-CdS (硫化鎘)/p-CdTe (碲化鎘)/金屬電極，太陽光由玻璃端射入，其太陽能電池結(jié)構(gòu)如附圖1和2所示，其中透明電極和η型硫化鎘的光學(xué)能隙較大，可以讓大部分的可見光穿透。主要的發(fā)電結(jié)構(gòu)為碲化鎘和硫化鎘所形成的Ρ-η異質(zhì)結(jié),入射光被締化鎘吸收層吸受后產(chǎn)生電子與電洞對(electron-hole pair),在異質(zhì)結(jié)中空閥區(qū)(deplet1n reg1n)的內(nèi)建電場可以有效的分開電子與電洞而減少其再結(jié)合的機(jī)會，載子(電子或電洞)有了內(nèi)建電場的幫助可以有效的被電極收集，被分開的電洞由和碲化鎘緊鄰的金屬電極收集，而電子經(jīng)由和硫化鎘緊鄰的透明電極收集，最后電子經(jīng)由外部回路傳導(dǎo)而回到透明電極端和電洞再結(jié)合而形成電流回路，只要有入射光進(jìn)入太陽能電池，此一機(jī)制就會運(yùn)作而形成電流源。
[0004]對于碲化鎘太陽能電池，往往有大量的能階位于背電極接面(碲化鎘和金屬電極的接面，又稱背接面)的能隙區(qū)，再結(jié)合會有效的透過這些能階發(fā)生而降低開路電壓，當(dāng)載子的擴(kuò)散距離和吸收層厚度相當(dāng)時，背接面產(chǎn)生的再結(jié)合將成為限制轉(zhuǎn)換效能的主因，當(dāng)吸收層完全的被空乏下，內(nèi)建電場可以有效的驅(qū)使電子遠(yuǎn)離背部電極以減少背接面再結(jié)合(back-surface recombinat1n),當(dāng)太陽能電池在順向偏壓下運(yùn)作，內(nèi)建電場將被減小，當(dāng)內(nèi)建電場被減小到不足以驅(qū)使電子遠(yuǎn)離背接面時，將會有更多的電子可以擴(kuò)散到背接面而產(chǎn)生再結(jié)合，如果在靠近背接面有一個傳導(dǎo)帶(conduct1n band)的位能障礙,這個障礙將可以驅(qū)使電子離開背電極，這個傳導(dǎo)帶障礙被定義為電子反射鏡，此概念已被J.Sites和J.Pan 在論文 Thin Solid Films 515 (2007) 6099 - 6102 提出。
[0005]最簡單且有效形成電子反射鏡的方法就是直接加一層電子反射層于吸收層和背金屬電極之間，該電子反射層應(yīng)具有比吸收層更高的能隙，且為兩層的能隙差主要降落在傳導(dǎo)帶的最低能階(conduct1n band minimum),而價電帶的最高能階(valence bandmaximum)的位能差越小越好,如此所產(chǎn)生的電子反射層位能屏障高度大約就是兩種材料的能隙差，可以藉由改變材料來調(diào)整位能屏障高度，屏障高度也是主要拿來定量電子反射鏡的參數(shù)，位能屏障越高，電子能擴(kuò)散到背接面的機(jī)會就越小，背接面再結(jié)合就會越少。當(dāng)擴(kuò)散距離相當(dāng)于吸收層厚度時，背接面再結(jié)合會主宰開路電壓的耗損，電子反射鏡可以發(fā)揮最大的效果，此為使用電子反射鏡之最佳條件，典型的碲化鎘薄膜太陽能電池的載子生命周期約為數(shù)奈秒，所對應(yīng)的擴(kuò)散距離約為數(shù)微米。當(dāng)吸收層和電子反射層接口的再結(jié)合速度與背接面的再結(jié)合速度相當(dāng)時，背接面的再結(jié)合將會在該接口發(fā)生而導(dǎo)致電子反射鏡失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種碲化鎘薄膜太陽能電池的電子反射層及制造方法。本發(fā)明的技術(shù)方案中電子反射層沿著縱向的能隙變化是漸變的，就不會因?yàn)樵跓崤蛎浵禂?shù)和晶格常數(shù)上有較大的不匹配而造成再結(jié)合中心。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種碲化鎘薄膜太陽能電池的電子反射層，所述電子反射層位于碲化鎘層和背金屬電極層之間，所述電子反射層的材料具碲和鎘元素之三元(含)以上化合物材料Cc^xAxTe, A為Zn、Mn、Mg和/或其他可以與鎘和碲形成化合物之元素，其中X為介于O和I的數(shù)值，X從碲化鎘端到靠近背金屬電極端為線性增加。
[0008]一種制造碲化鎘薄膜太陽能電池的電子反射層的方法，在碲化鎘層上形成具碲和鎘元素之三元(含)以上化合物材料Cc^xAxTe電子反射層，A為Zn、Mn、Mg和/或其他可以與鎘和碲形成化合物之元素，其中X為介于O和I的數(shù)值，X從碲化鎘端到靠近背金屬電極端為線性增加。
[0009]S1.在透明玻璃基板垂直方向上依次制備透明電極層、硫化鎘層、和碲化鎘層。
[0010]S2.將SI的碲化鎘薄膜太陽能電池半成品制備漸變能隙之電子反射層。本發(fā)明沒有詳細(xì)說明的方法均為現(xiàn)有技術(shù)。
[0011]S3.將S2表面制備有電子反射層的碲化鎘薄膜太陽能電池半成品在特殊氣體下進(jìn)行高溫退火熱處理。特殊氣體包含氮、氧、氯化鎘、或其他含氯氣體，退火溫度在攝氏370-440度，退火時間在2-20分鐘。
[0012]碲化鎘層厚度應(yīng)小于或相當(dāng)于擴(kuò)散距離或空閥區(qū)寬度。
[0013]電子反射層的材料應(yīng)具有比碲化鎘更高的能隙。電子反射層的材料能隙差主要落在傳導(dǎo)帶的位能差而不是價電帶的位能差。電子反射層的材料可以為碲化鋅鎘(CdZnTe，Eg = 1.5 - 2.4 eV)、碲化鎂鎘 CdMgTe (Eg =1.5 - 3.6 eV)、碲化錳鎘 CdMnTe (Eg =1.5 - 3.2 eV)、或具碲和鎘元素之三元(含)以上化合物材料，且能隙可以隨元素成分比例而變化。
[0014]