CdTe薄膜上生长CdS薄膜或CdS纳米结构的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及CdTe薄膜上生长CdS薄膜或者CdS纳米结构的方法。
【背景技术】
[0002]目前，煤炭、石油等传统能源在我们的生活中占据主导地位，但它以高能耗、高污染影响着我们的日常生活，给我们的生活带来了极大的不利。而太阳能作为新能源的一种，因其取之不尽、用之不竭，分布广泛等优点备受各国政府重视。
[0003]CdTe基光伏太阳能电池是第二代新能源薄膜太阳电池中的一种。它的核心组成部分是由P型的CdTe吸收层和η型的CdS窗口层组成的。吸收层CdTe材料是一种直接带隙的半导体，带隙是1.48 eV，这与太阳光谱很好地匹配。它的吸收系数很高，高达15 cm-1,只需要I um就可以吸收掉99%以上的可见光。并且制备薄膜的过程中需要的量少，成本低。CdS薄膜是与之对应的窗口层。
[0004]大部分制备器件是先在ITO玻璃上用水浴法生长CdS薄膜后，再在其上用近空间升华法生长CdTe薄膜，然后生长电极。在器件的制备过程中，一个重要的因素是要CdTe薄膜和CdS薄膜之间相互扩散形成pn结，这样的制备方式在能带结构上会形成突变，CdS和CdTe薄膜之间存在晶格失配的问题。
[0005]据申请人了解，目前在CdTe薄膜表面原位生长CdS层(薄膜或者纳米结构)形成pn结的方法还没有被报道过。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是在P型CdTe薄膜上原位生长η型CdS薄膜或者CdS纳米结构的方法，原位形成pn结，而原位形成的pn结在能带上是一个渐变的过程，解决了 CdS和CdTe薄膜之间存在的晶格失配的影响。
[0007]本发明的具体技术方案如下:
一种CdTe薄膜上生长CdS薄膜或CdS纳米结构的方法，包括如下步骤:
(1)将CdTe薄膜装入石英管中，放入烧结炉，然后排除石英管内的多余气体；
(2)接着通入含硫化氢气体的混合气体，升温烧结炉对CdTe薄膜进行退火，退火温度为 200~600°C，退火时间为 10min~3h ；
(3 )退火后降温，取出薄膜，得到成品。
[0008]步骤(I)中，所述CdTe薄膜包括衬底和薄膜，薄膜的厚度为50 nm~10 um。
[0009]步骤(I)中，所述CdTe薄膜包括衬底和薄膜，薄膜的厚度为50~ 500nm ;上述厚度的薄膜在本发明所述的退火条件下全部转变为CdS薄膜；并且这个厚度可以作为电池的窗口层。步骤(I)中，通入保护气体或者对石英管抽真空排除石英管内的多余气体。
[0010]所述保护气体为氮气或者氩气。
[0011]步骤(2)中，所述混合气体中硫化氢气体的体积占混合气体总体积0.5%~100% ;通过控制硫化氢气体体积浓度的大小，可以间接的控制CdTe薄膜在高温下和硫化氢反应的剧烈程度。
[0012]步骤(2)中，所述混合气体的气流为5~100 sccm ;当烧结炉中充满硫化氢气体时，可以不再通入硫化氢气体进行退火。上述退火过程中发生如下反应:CdTe (s)+H2S (g) =CdS (s) +Te2 (g) +H2 (g)，其中s代表固态，g为气态。混合气体的气流选择上述范围的主要作用是维持硫化氢气体的浓度，以至于反应可以持续的进行；另外在气流在带动下，Te2蒸汽在管式烧结炉的低温段沉积。
[0013]本发明所述退火温度在200°C ~400°C时，或者在CdTe薄膜上形成CdS薄膜层；退火温度为400~600°C时，在CdTe薄膜上形成的CdS薄膜层有CdS纳米生成；并且生成的纳米的密度是先增大后减少。如果增加退火时间，CdTe薄膜全部变为CdS薄膜。本发明通过控制条件退火形成CdS薄膜，有望应用在CdTe基光伏太阳电池上，可以大大简化电池的制备流程。这样的优点是，设备简单，成本低等。并且可以在光伏太阳电池中减少玻璃对光的吸收以及反射，太阳光直接照射在CdS层，增加光的利用率。
[0014]本发明所采用的CdTe薄膜采用现有的方法进行制备，包括近空间升华法、水浴法、真空蒸发法、磁控溅射法等。CdTe薄膜的衬底可以是玻璃衬底、金属薄片、柔性衬底、带有电极的衬底、光伏电池衬底等。
[0015]本发明把CdTe薄膜放入烧结炉中，并且通入硫化氢气体，然后升高烧结炉的温度，最后在CdTe薄膜表面原位生成CdS或者CdS纳米结构。生成CdS薄膜或者CdS纳米结构是根据设定的退火温度而决定的，退火温度在200°C ~400°C时原位生成的是CdS薄膜，而退火温度在400~600°C时生成的是CdS薄膜和CdS纳米结构；并且生成CdS薄膜或者CdS纳米的衬底都为CdTe薄膜。在CdTe薄膜上原位形成CdS层(薄膜或者纳米结构)，原位形成pn结解决了 CdS和CdTe薄膜之间存在的晶格失配等影响。这种方法的优点是设备简单，生长温度低，可控程度高，适用于大面积的制备，为工业生产提供了可行性线路。
【附图说明】
[0016]图1为本发明用近空间升华法制备的CdTe薄膜的SEM形貌；
图2为本发明用近空间升华法制备的CdTe薄膜的XRD图谱；
图3为实施例1中所获得的成品的SEM形貌；
图4为实施例1中所获得的成品的XRD图谱；
图5为实施例2中所获得的成品的SEM形貌；
图6为实施例2中所获得的成品的XRD图谱；
图7为实施例2中所获得的成品的SEM截面形貌图；
图8为实施例3中所获得的成品的XRD图谱；
图9为实施例4中所获得的成品的XRD图谱；
图10为本发明用高真空蒸发法制备CdTe薄膜的SEM形貌；
图11为本发明用高真空蒸发法制备CdTe薄膜的XRD图谱；
图12为实施例5中所获得的成品的SEM形貌；
图13为实施例5中所获得的成品的XRD图谱。
【具体实施方式】
[0017]本发明中，选择的衬底是玻璃衬底，衬底的尺寸大小为lcm*lcm。CdTe薄膜的制备方法采用近空间升华法制备的。在X射线衍射(XRD)图谱(*)对应的衍射峰是六方相的CdS，而(__ )对应的则是立方相的CdTe。
[0018]近空间升华法制备CdTe薄膜
玻璃衬底依次经过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗min后，放入近空间升华法的沉积室。然后抽真空，当真空度达到0.5Pa时，通入氩气，调节抽气的速率使沉积室气压到2kPa。升温源和衬底的温度为620°C和550°C。到达设定温度后，沉积5min，然后自然降温，最后取出CdTe薄膜，薄膜的厚度为6.7um±0.3um。制备好的CdTe薄膜作为生长CdS薄膜或者纳米结构中的衬底，分别用在实施例1、实