一种碲化镉太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及薄膜光伏技术，尤其涉一种含有氧化钛薄膜缓冲层的碲化镉太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]多晶硫化镉/碲化镉(CdS/CdTe)是最重要的薄膜光伏材料体系之一。2014年，经过认证的碲化镉太阳能电池能量转换效率已经达到21.5% (第一太阳能公司)，这非常接近由铜铟镓砸(CIGS)薄膜太阳能电池创下的单节太阳能电池21.7%的记录。此外，作为二元化合物，碲化镉薄膜具有制备更简单的和重复性更好的特点。这些事实均表明的碲化镉薄膜光伏技术的潜力。
[0003]目前，主流的碲化镉沉积方法需要高温和低真空设备，不仅提高了生产成本，同时与未来的柔性和纳米结构光伏器件工艺难以兼容。传统的器件结构，一般是玻璃/TC0( —种透明导电层)/硫化镉/碲化镉/背电极，大量的工作在探讨与P型碲化镉欧姆接触问题(详见 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，硫化镉中孔洞造成的分流问题和TC0表面硫化镉的覆盖不完整的问题也急需解决，这些问题都很大程度地影响了器件的良率和可重复性。
[0004]一般来说，针对上述问题有两种解决方案:(1)使用高电阻率的TC0和低电阻率的TC0混合，例如未掺杂的氧化锡(T0)或者氧化锌加入氟掺杂氧化锡(FT0) ;(2)使用厚的硫化镉均匀且完整地覆盖在TC0表面。然而这两种方法同时增加了硫化镉层中的光吸收损失。
【发明内容】
[0005]为克服上述技术缺陷，本发明公开了一种含有氧化钛薄膜缓冲层的碲化镉太阳能电池，可以利用氧化钛缓冲层提高碲化镉太阳能电池器件性能。
[0006]本发明还公开了上述碲化镉太阳能电池的制备方法。
[0007]本发明采用的技术方案如下:
[0008]—种碲化镉太阳能电池，在衬底表面沉积有氧化钛薄膜缓冲层。
[0009]上述碲化镉太阳能电池依次含有衬底层、氧化钛薄膜缓冲层、硫化镉薄膜层和碲化镉薄膜层以及背电极。
[0010]所述衬底为钠钙玻璃。
[0011 ] 所述衬底层表面具有氟掺杂氧化锡透明导电层。
[0012]本发明还公开了一种碲化镉太阳能电池的制备方法，包含如下步骤:
[0013](1)通过直流磁控溅射在衬底层沉积氧化钛薄膜层；
[0014](2)在氧化钛薄膜层表面利用化学浴法沉积硫化镉薄膜层；
[0015](3)在硫化镉薄膜层利用电化学沉积法沉积碲化镉薄膜层；
[0016](4)使用氯化铬对在硫化镉薄膜层进行处理并制作背电极。
[0017]所述步骤(1)中所述氧化钛薄膜层通过直流磁控溅射沉积，溅射后，对氧化钛薄膜层进行退火。
[0018]所述步骤(2)中化学浴沉积溶液为醋酸铬、硫脲、醋酸铵和氢氧化铵中的任意一种或几种，优选为醋酸铬、硫脲、醋酸铵和氢氧化铵的混合溶液。
[0019]所述步骤(3)中电化学沉积溶液为为硫酸、硫酸铬、氯化铬和二氧化碲混合而成。
[0020]所述步骤(4)中，碲化镉薄膜层沉积之后，使用去离子水对得到的样品进行清洗，然后将样品浸泡在过饱和氯化铬甲醇溶液中，然后使用甲醇对样品冲洗、再吹干，样品在氩气和压缩空气氛围下退火，最后，通过热蒸镀沉积金圆点阵列作为背电极。
[0021]本发明的有益效果在于:
[0022](1)本发明的碲化镉太阳能电池含有的致密的氧化钛(Ti02)薄膜作为缓冲层解决了分流的问题并且提高了碲化镉/硫化镉光伏器件的良率和可重复性，有效提高硫化镉/碲化镉太阳能电池器件性能，当Ti02的厚度适合时，器件的良率上升20%到80%，最大转化率达到8.0%，并且器件的稳定性也明显地提高。
[0023](2)本发明使用溶液方法，温度较低，降低了生产成本，同时与未来的柔性和纳米结构光伏器件工艺兼容，而且不依赖真空设备，有效降低了生产成本。
[0024](3)在本发明通过化学浴沉积(CBD)和电化学沉积(ED)获得硫化镉和碲化镉，在没有任何背接触电阻优化条件下，通过FTO/CdS/CdTe/Au结构获得6.1 %转化效率。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的碲化镉太阳能电池器件结构示意图；
[0026]图2是本发明的碲化镉太阳能电池的断面扫描电子显微镜(SEM)图片；
[0027]图3是电流密度-电压(J-V)曲线；
[0028]图4是(a)碲化镉CdTe、(b)硫化镉CdS和(c)氧化钛Ti02表面扫描电子显微镜(SEM)图片。插图为相应材料的X射线衍射图谱(XRD)。
[0029]图5是不同氧化钛厚度对应的器件良率；
[0030]图6是参照电池(深色曲线)和具有20纳米氧化钛层电池(浅色曲线)在空气中的效率衰减曲线。
【具体实施方式】
[0031]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施和应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点的应用，没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0032]本发明的碲化镉太阳能电池器件结构示意图如图1所示，依次含有衬底层1、氧化钛薄膜缓冲层3、硫化镉薄膜层4和碲化镉薄膜层5以及背电极6，所述衬底为钠钙玻璃，所述衬底表面具有氟掺杂氧化锡透明导电层2。
[0033]本发明还公开了一种碲化镉太阳能电池的制备方法，包含如下步骤:
[0034](1)通过直流磁控溅射在衬底层沉积氧化钛薄膜层:气流为4标准大气压立方分米每分钟氧气混合25标准大气压立方分米每分钟氩气；腔体压力为0.6帕；靶材为钛金属。通过不同溅射时间获得20纳米到100纳米不同厚度的T1j莫。溅射后，Ti02样品在500摄氏度腔体中退火30分钟，气体流量为300标准大气压立方分米每分钟的压缩空气。
[0035](2)在氧化钛薄膜层表面利用化学浴法沉积硫化镉薄膜层:硫化镉CdS层通过化学浴沉积方法在90摄氏度条件沉积30分钟获得，化学浴沉积溶液为5 X 10 4摩尔/L醋酸铬(Cd(CH3C00)2)，5X 10 4摩尔 /L 硫脲(CH4N2S) ,3X10 2摩尔 /L 醋酸铵(CH3C00NH4)和 0.5摩尔/L氢氧化铵(ΝΗ40Η)。
[0036](3)在硫化镉薄膜层利用电化学沉积法沉积碲化镉薄膜层:在85摄氏度条件下，在硫化镉CdS上使用电化学沉积方法沉积一层碲化镉CdTe。采用三电极系统沉积，其中样品、碳棒和Ag/AgCl电极分别作为工作电极，对电极和参比电极。通过恒压器CHI1000C，提供参照Ag/AgCl-610毫伏电势。溶液为pH值1.8的硫酸(H2S04)，0.7摩尔/L的硫酸铬(CdS04)，3.56X 10 4摩尔/L氯化铬(CdC12)和二氧化碲(TeO 2)混合而成。
[0037](4)使用氯化铬对在硫化镉薄膜层进行处理并制作背电极:使用氯化铬CdClJt样品处理并制作背电极6。CdTe沉积之后，使用去离子水对样品清洗，然后浸泡在60摄氏度的过饱和氯化铬CdCl2甲醇溶液中20分钟。接下来，使用甲醇对样品冲洗，再使用压缩空气吹干。样品在氩气(200标准大气压立方分米每分钟)和压缩空气(200标准大气压立方分米每分钟)氛围下，使用370摄氏度退火，最后，通过热蒸镀沉积12个50纳米厚的金圆点(0.0314平方厘米)阵列作为背电极。
[0038]在制备碲化镉太阳能电池之前，先清洗钠钙玻璃衬底1，使用清洁剂、丙酮、异丙醇和去离子水在超声清洁器中依次清洗衬底。
[0039]在本发明的步骤2)中，本发明基于薄膜光伏技术，使用溶液方法制备碲化镉/硫化镉太阳能电池，有效降低了制备问题，同时避免了真空设备的使用。同时，氧化钛缓冲层的加入，提高了太阳能电池器件的性能。
[0040]综上所述，尽管本发明的【具体实施方式】对本发明进行了详细描述，但本领域一般技术人员应该明白的是，上述实施例仅仅是对本发明的优选实施例的描述，而非对本发明保护范围的限制，本领域一般技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化，均在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种碲化镉太阳能电池，含有衬底层，其特征在于:在衬底层表面沉积有氧化钛薄膜缓冲层。2.如权利要求1所述的碲化镉太阳能电池，其特征在于:所述电池依次含有衬底层、氧化钛薄膜缓冲层、硫化镉薄膜层和碲化镉薄膜层以及背电极。3.如权利要求1所述的碲化镉太阳能电池，其特征在于:所述衬底为钠钙玻璃。4.如权利要求1所述的碲化镉太阳能电池，其特征在于:在所述衬底表面具有氟掺杂氧化锡透明导电层，所述衬底和氟掺杂氧化锡透明导电层构成衬底层。5.如权利要求2所述的碲化镉太阳能电池的制备方法，其特征在于包含如下步骤: (1)通过直流磁控溅射在衬底层沉积氧化钛薄膜层； (2)在氧化钛薄膜层表面利用化学浴法沉积硫化镉薄膜层； (3)在硫化镉薄膜层表面利用电化学沉积法沉积碲化镉薄膜层； (4)使用氯化铬对硫化镉薄膜层进行处理并制作背电极。6.如权利要求5所述的碲化镉太阳能电池的制备方法，其特征在于:所述步骤(1)中所述氧化钛薄膜层通过直流磁控溅射沉积，溅射后，对氧化钛薄膜层进行退火。7.如权利要求5所述的碲化镉太阳能电池的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中化学浴沉积溶液为醋酸铬、硫脲、醋酸铵和氢氧化铵中的任意一种或几种。8.如权利要求5所述的碲化镉太阳能电池的制备方法，其特征在于:所述步骤(3)中电化学沉积溶液为为硫酸、硫酸铬、氯化铬和二氧化碲混合而成。9.如权利要求5所述的碲化镉太阳能电池的制备方法，其特征在于:所述步骤⑷中，碲化镉薄膜层沉积之后，使用去离子水对得到的样品进行清洗，然后将样品浸泡在过饱和氯化铬甲醇溶液中，然后使用甲醇对样品冲洗、再吹干，样品在氩气和压缩空气氛围下退火，最后，通过热蒸镀沉积金圆点阵列作为背电极。
【专利摘要】本发明公开了一种碲化镉太阳能电池，在衬底表面沉积有氧化钛薄膜缓冲层。本发明的碲化镉太阳能电池含有的致密的氧化钛(TiO2)薄膜作为缓冲层解决了分流的问题并且提高了碲化镉/硫化镉光伏器件的良率和可重复性，有效提高硫化镉/碲化镉太阳能电池器件性能。本发明还公开了一种碲化镉太阳能电池的制备方法，通过化学浴沉积(CBD)和电化学沉积(ED)获得硫化镉和碲化镉，在没有任何背接触电阻优化条件下，通过FTO/CdS/CdTe/Au结构获得6.1％转化效率。
【IPC分类】H01L31/0216, H01L31/073, H01L31/18
【公开号】CN105405900
【申请号】CN201510724289
【发明人】范智勇, 何进
【申请人】北京大学深圳研究院
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年10月29日