一種碲化鎘太陽(yáng)能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄膜光伏技術(shù)，尤其涉一種含有氧化鈦薄膜緩沖層的碲化鎘太陽(yáng)能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多晶硫化鎘/碲化鎘(CdS/CdTe)是最重要的薄膜光伏材料體系之一。2014年，經(jīng)過(guò)認(rèn)證的碲化鎘太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到21.5% (第一太陽(yáng)能公司)，這非常接近由銅銦鎵砸(CIGS)薄膜太陽(yáng)能電池創(chuàng)下的單節(jié)太陽(yáng)能電池21.7%的記錄。此外，作為二元化合物，碲化鎘薄膜具有制備更簡(jiǎn)單的和重復(fù)性更好的特點(diǎn)。這些事實(shí)均表明的碲化鎘薄膜光伏技術(shù)的潛力。
[0003]目前，主流的碲化鎘沉積方法需要高溫和低真空設(shè)備，不僅提高了生產(chǎn)成本，同時(shí)與未來(lái)的柔性和納米結(jié)構(gòu)光伏器件工藝難以兼容。傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)，一般是玻璃/TC0( —種透明導(dǎo)電層)/硫化鎘/碲化鎘/背電極，大量的工作在探討與P型碲化鎘歐姆接觸問(wèn)題(詳見(jiàn) J.Li，et.al., " Rapid thermal processing of ZnTe:Cu contacted CdTesolar cells，" in Photovoltaic Specialist Conference(PVSC),2014IEEE 40th，2014，pp.2360-2365.)。然而，硫化鎘中孔洞造成的分流問(wèn)題和TC0表面硫化鎘的覆蓋不完整的問(wèn)題也急需解決，這些問(wèn)題都很大程度地影響了器件的良率和可重復(fù)性。
[0004]一般來(lái)說(shuō)，針對(duì)上述問(wèn)題有兩種解決方案:(1)使用高電阻率的TC0和低電阻率的TC0混合，例如未摻雜的氧化錫(T0)或者氧化鋅加入氟摻雜氧化錫(FT0) ;(2)使用厚的硫化鎘均勻且完整地覆蓋在TC0表面。然而這兩種方法同時(shí)增加了硫化鎘層中的光吸收損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明公開(kāi)了一種含有氧化鈦薄膜緩沖層的碲化鎘太陽(yáng)能電池，可以利用氧化鈦緩沖層提高碲化鎘太陽(yáng)能電池器件性能。
[0006]本發(fā)明還公開(kāi)了上述碲化鎘太陽(yáng)能電池的制備方法。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0008]—種碲化鎘太陽(yáng)能電池，在襯底表面沉積有氧化鈦薄膜緩沖層。
[0009]上述碲化鎘太陽(yáng)能電池依次含有襯底層、氧化鈦薄膜緩沖層、硫化鎘薄膜層和碲化鎘薄膜層以及背電極。
[0010]所述襯底為鈉鈣玻璃。
[0011 ] 所述襯底層表面具有氟摻雜氧化錫透明導(dǎo)電層。
[0012]本發(fā)明還公開(kāi)了一種碲化鎘太陽(yáng)能電池的制備方法，包含如下步驟:
[0013](1)通過(guò)直流磁控濺射在襯底層沉積氧化鈦薄膜層；
[0014](2)在氧化鈦薄膜層表面利用化學(xué)浴法沉積硫化鎘薄膜層；
[0015](3)在硫化鎘薄膜層利用電化學(xué)沉積法沉積碲化鎘薄膜層；
[0016](4)使用氯化鉻對(duì)在硫化鎘薄膜層進(jìn)行處理并制作背電極。
[0017]所述步驟(1)中所述氧化鈦薄膜層通過(guò)直流磁控濺射沉積，濺射后，對(duì)氧化鈦薄膜層進(jìn)行退火。
[0018]所述步驟(2)中化學(xué)浴沉積溶液為醋酸鉻、硫脲、醋酸銨和氫氧化銨中的任意一種或幾種，優(yōu)選為醋酸鉻、硫脲、醋酸銨和氫氧化銨的混合溶液。
[0019]所述步驟(3)中電化學(xué)沉積溶液為為硫酸、硫酸鉻、氯化鉻和二氧化碲混合而成。
[0020]所述步驟(4)中，碲化鎘薄膜層沉積之后，使用去離子水對(duì)得到的樣品進(jìn)行清洗，然后將樣品浸泡在過(guò)飽和氯化鉻甲醇溶液中，然后使用甲醇對(duì)樣品沖洗、再吹干，樣品在氬氣和壓縮空氣氛圍下退火，最后，通過(guò)熱蒸鍍沉積金圓點(diǎn)陣列作為背電極。
[0021]本發(fā)明的有益效果在于:
[0022](1)本發(fā)明的碲化鎘太陽(yáng)能電池含有的致密的氧化鈦(Ti02)薄膜作為緩沖層解決了分流的問(wèn)題并且提高了碲化鎘/硫化鎘光伏器件的良率和可重復(fù)性，有效提高硫化鎘/碲化鎘太陽(yáng)能電池器件性能，當(dāng)Ti02的厚度適合時(shí)，器件的良率上升20%到80%，最大轉(zhuǎn)化率達(dá)到8.0%，并且器件的穩(wěn)定性也明顯地提高。
[0023](2)本發(fā)明使用溶液方法，溫度較低，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)與未來(lái)的柔性和納米結(jié)構(gòu)光伏器件工藝兼容，而且不依賴真空設(shè)備，有效降低了生產(chǎn)成本。
[0024](3)在本發(fā)明通過(guò)化學(xué)浴沉積(CBD)和電化學(xué)沉積(ED)獲得硫化鎘和碲化鎘，在沒(méi)有任何背接觸電阻優(yōu)化條件下，通過(guò)FTO/CdS/CdTe/Au結(jié)構(gòu)獲得6.1 %轉(zhuǎn)化效率。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本發(fā)明的碲化鎘太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明的碲化鎘太陽(yáng)能電池的斷面掃描電子顯微鏡(SEM)圖片；
[0027]圖3是電流密度-電壓(J-V)曲線；
[0028]圖4是(a)碲化鎘CdTe、(b)硫化鎘CdS和(c)氧化鈦Ti02表面掃描電子顯微鏡(SEM)圖片。插圖為相應(yīng)材料的X射線衍射圖譜(XRD)。
[0029]圖5是不同氧化鈦厚度對(duì)應(yīng)的器件良率；
[0030]圖6是參照電池(深色曲線)和具有20納米氧化鈦層電池(淺色曲線)在空氣中的效率衰減曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0031]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施和應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)的應(yīng)用，沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0032]本發(fā)明的碲化鎘太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，依次含有襯底層1、氧化鈦薄膜緩沖層3、硫化鎘薄膜層4和碲化鎘薄膜層5以及背電極6，所述襯底為鈉鈣玻璃，所述襯底表面具有氟摻雜氧化錫透明導(dǎo)電層2。
[0033]本發(fā)明還公開(kāi)了一種碲化鎘太陽(yáng)能電池的制備方法，包含如下步驟:
[0034](1)通過(guò)直流磁控濺射在襯底層沉積氧化鈦薄膜層:氣流為4標(biāo)準(zhǔn)大氣壓立方分米每分鐘氧氣混合25標(biāo)準(zhǔn)大氣壓立方分米每分鐘氬氣；腔體壓力為0.6帕；靶材為鈦金屬。通過(guò)不同濺射時(shí)間獲得20納米到100納米不同厚度的T1j莫。濺射后，Ti02樣品在500攝氏度腔體中退火30分鐘，氣體流量為300標(biāo)準(zhǔn)大氣壓立方分米每分鐘的壓縮空氣。
[0035](2)在氧化鈦薄膜層表面利用化學(xué)浴法沉積硫化鎘薄膜層:硫化鎘CdS層通過(guò)化學(xué)浴沉積方法在90攝氏度條件沉積30分鐘獲得，化學(xué)浴沉積溶液為5 X 10 4摩爾/L醋酸鉻(Cd(CH3C00)2)，5X 10 4摩爾 /L 硫脲(CH4N2S) ,3X10 2摩爾 /L 醋酸銨(CH3C00NH4)和 0.5摩爾/L氫氧化銨(ΝΗ40Η)。
[0036](3)在硫化鎘薄膜層利用電化學(xué)沉積法沉積碲化鎘薄膜層:在85攝氏度條件下，在硫化鎘CdS上使用電化學(xué)沉積方法沉積一層碲化鎘CdTe。采用三電極系統(tǒng)沉積，其中樣品、碳棒和Ag/AgCl電極分別作為工作電極，對(duì)電極和參比電極。通過(guò)恒壓器CHI1000C，提供參照Ag/AgCl-610毫伏電勢(shì)。溶液為pH值1.8的硫酸(H2S04)，0.7摩爾/L的硫酸鉻(CdS04)，3.56X 10 4摩爾/L氯化鉻(CdC12)和二氧化碲(TeO 2)混合而成。
[0037](4)使用氯化鉻對(duì)在硫化鎘薄膜層進(jìn)行處理并制作背電極:使用氯化鉻CdClJt樣品處理并制作背電極6。CdTe沉積之后，使用去離子水對(duì)樣品清洗，然后浸泡在60攝氏度的過(guò)飽和氯化鉻CdCl2甲醇溶液中20分鐘。接下來(lái)，使用甲醇對(duì)樣品沖洗，再使用壓縮空氣吹干。樣品在氬氣(200標(biāo)準(zhǔn)大氣壓立方分米每分鐘)和壓縮空氣(200標(biāo)準(zhǔn)大氣壓立方分米每分鐘)氛圍下，使用370攝氏度退火，最后，通過(guò)熱蒸鍍沉積12個(gè)50納米厚的金圓點(diǎn)(0.0314平方厘米)陣列作為背電極。
[0038]在制備碲化鎘太陽(yáng)能電池之前，先清洗鈉鈣玻璃襯底1，使用清潔劑、丙酮、異丙醇和去離子水在超聲清潔器中依次清洗襯底。
[0039]在本發(fā)明的步驟2)中，本發(fā)明基于薄膜光伏技術(shù)，使用溶液方法制備碲化鎘/硫化鎘太陽(yáng)能電池，有效降低了制備問(wèn)題，同時(shí)避免了真空設(shè)備的使用。同時(shí)，氧化鈦緩沖層的加入，提高了太陽(yáng)能電池器件的性能。
[0040]綜上所述，盡管本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但本領(lǐng)域一般技術(shù)人員應(yīng)該明白的是，上述實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的描述，而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碲化鎘太陽(yáng)能電池，含有襯底層，其特征在于:在襯底層表面沉積有氧化鈦薄膜緩沖層。2.如權(quán)利要求1所述的碲化鎘太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述電池依次含有襯底層、氧化鈦薄膜緩沖層、硫化鎘薄膜層和碲化鎘薄膜層以及背電極。3.如權(quán)利要求1所述的碲化鎘太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述襯底為鈉鈣玻璃。4.如權(quán)利要求1所述的碲化鎘太陽(yáng)能電池，其特征在于:在所述襯底表面具有氟摻雜氧化錫透明導(dǎo)電層，所述襯底和氟摻雜氧化錫透明導(dǎo)電層構(gòu)成襯底層。5.如權(quán)利要求2所述的碲化鎘太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于包含如下步驟: (1)通過(guò)直流磁控濺射在襯底層沉積氧化鈦薄膜層； (2)在氧化鈦薄膜層表面利用化學(xué)浴法沉積硫化鎘薄膜層； (3)在硫化鎘薄膜層表面利用電化學(xué)沉積法沉積碲化鎘薄膜層； (4)使用氯化鉻對(duì)硫化鎘薄膜層進(jìn)行處理并制作背電極。6.如權(quán)利要求5所述的碲化鎘太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于:所述步驟(1)中所述氧化鈦薄膜層通過(guò)直流磁控濺射沉積，濺射后，對(duì)氧化鈦薄膜層進(jìn)行退火。7.如權(quán)利要求5所述的碲化鎘太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中化學(xué)浴沉積溶液為醋酸鉻、硫脲、醋酸銨和氫氧化銨中的任意一種或幾種。8.如權(quán)利要求5所述的碲化鎘太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中電化學(xué)沉積溶液為為硫酸、硫酸鉻、氯化鉻和二氧化碲混合而成。9.如權(quán)利要求5所述的碲化鎘太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于:所述步驟⑷中，碲化鎘薄膜層沉積之后，使用去離子水對(duì)得到的樣品進(jìn)行清洗，然后將樣品浸泡在過(guò)飽和氯化鉻甲醇溶液中，然后使用甲醇對(duì)樣品沖洗、再吹干，樣品在氬氣和壓縮空氣氛圍下退火，最后，通過(guò)熱蒸鍍沉積金圓點(diǎn)陣列作為背電極。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種碲化鎘太陽(yáng)能電池，在襯底表面沉積有氧化鈦薄膜緩沖層。本發(fā)明的碲化鎘太陽(yáng)能電池含有的致密的氧化鈦(TiO2)薄膜作為緩沖層解決了分流的問(wèn)題并且提高了碲化鎘/硫化鎘光伏器件的良率和可重復(fù)性，有效提高硫化鎘/碲化鎘太陽(yáng)能電池器件性能。本發(fā)明還公開(kāi)了一種碲化鎘太陽(yáng)能電池的制備方法，通過(guò)化學(xué)浴沉積(CBD)和電化學(xué)沉積(ED)獲得硫化鎘和碲化鎘，在沒(méi)有任何背接觸電阻優(yōu)化條件下，通過(guò)FTO/CdS/CdTe/Au結(jié)構(gòu)獲得6.1％轉(zhuǎn)化效率。
【IPC分類】H01L31/0216, H01L31/073, H01L31/18
【公開(kāi)號(hào)】CN105405900
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510724289
【發(fā)明人】范智勇, 何進(jìn)
【申請(qǐng)人】北京大學(xué)深圳研究院
【公開(kāi)日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年10月29日