碲锌镉薄膜太阳能电池的制作方法

专利名称：碲锌镉薄膜太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体薄膜太阳能电池，具体是指一种碲锌镉(CdZnTe)薄膜 太阳能电池的结构设计。
技术背景随着化石燃料逐渐枯竭及化石燃料燃烧引起的日趋严重的环境污染，太阳能 电池作为一种清洁的、没有任何污染的能源正越来越受到世界各国的关注和极 大的重视。太阳能电池是一种利用光生伏特效应将太阳能直接转化为电能的器 件。迄今为止，己研制出了很多种类的太阳能电池。包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池等。经过多 年的探索，人们将注意的目光逐渐转向薄膜太阳能电池。目前薄膜太阳能电池主要有pc-Si薄膜太阳能电池、CuInGaSe薄膜太阳能电池和CdTe薄膜太阳能电 池。CdTe薄膜太阳能电池的基本结构为透明导电氧化物前电极/n型硫化镉窗 口层/p型碲化镉吸收层/背电极，背电极常采用掺铜的石墨。然而，由于p型碲 化镉与背电极之间难以形成良好的欧姆接触，已成为发展这类电池急需解决的 关键技术问题。人们已经尝试了用各种金属材料如Cu、 Hg、 Pb和Au作为背电 极，结果是它们与p型碲化镉吸收层之间的互扩散降低了电池的性能。又由于 CdTe具有自补偿的特性，很难进行p型掺杂，这也影响了背电极与吸收层之间的接触。另一个方案是在p型CdTe和高功函数的金属背电极之间加入一层重掺 杂的p型ZnTe作为过渡层。例如美国Ametek公司1990年申请的4977.097号专 利，以及美国可再生能源国家实验室提出的一种在p型碲化镉层与背电极之间 加入一层p型ZnTe薄膜过渡层的复合电极结构。这层ZnTe薄膜的掺杂剂一般 为铜或氮，掺杂原子浓度在3%-8%范围内，厚度为250 A-1200A。这种复合电 极结构的太阳能电池虽然性能大为改善，填充因子提高10%左右，开路电压提 高3%左右，但是该结构还是存在下列明显不足1. 碲化锌中掺杂剂的加入，使碲化锌的晶格与相邻的碲化镉的失配加剧， 在两者之间形成较高的界面态，从而降低了太阳能电池的性能。2. 碲化锌中的惨杂原子，或石墨电极中的铜原子能较快扩散到p型碲化镉 吸收层，导致电池的光电性能发生衰变。3. 因为碲化镉为多晶薄膜，具有大量的晶粒间界及局部微孔，他们会形成 微小的漏电通道，而较高导电率的碲化锌过渡层不能钝化这类缺陷，因而这种 结构的电池仍有较小的旁路电阻。这就抑制了填充因子和开路电压，从而降低 了光电转换效率。为解决上述问题，有人就提出了在p型CdTe和ZnTe:Cu背电极层之间引入 不掺杂或低掺杂的ZnTe作为过渡层，见中国发明专利CN1120246A。这种结构 虽然可解决其稳定性问题，但毕竟增加了一过渡层，增加了电池制作的复杂性， 提高了生产成本。另外，目前薄膜太阳能电池的响应波段范围一般较窄，为拓宽响应波段， 提高薄膜太阳能电池的转换效率，人们设计了两个P-N结串联的或三个P-N结 串联的薄膜太阳能电池，虽然这种结构可拓宽响应波段，但同样存在电池制作 复杂性的问题。发明内容基于上述已有薄膜太阳能电池存在的缺陷，本发明的目的是要提出一种渐变带隙结构的CdZnTe薄膜太阳能电池。通过渐变带隙来拓宽太阳能电池的响应波段，利用P型CdZnTe吸收层与ZnTe:Cu背电极层具有的较接近的功函数，解决其欧姆接触问题，从而提高电池的光电转换效率和稳定性。本发明的CdZnTe薄膜太阳能电池，包括玻璃衬底，在玻璃衬底上依次沉积有透明导电氧化物前电极层、n型CdS窗口层、p型CdLxZnxTe吸收层、P型ZnTe背接触电极层。所说的透明导电氧化物薄膜可以是ITO、 Sn02:F、 ZnO:Al中的一种。 所说的p型CdkZnxTe吸收层中的Zn组分x值在其厚度方向渐变，形成一个渐变带隙结构的Cd^ZiixTe吸收层。Cd^ZrixTe吸收层的厚度为500 2000纳米。所说的CdkZnJe吸收层中的Zn组分x值在其厚度方向，即从CdS窗口层 到距离背接触电极层的10 100纳米内由1渐变到0，余下的厚度由0渐变到1。 所说的P型ZnTe背接触电极层为Cu掺杂的ZnTe ，薄膜厚度在50 60纳米。本发明的优点在于将具有渐变带隙结构的Cd^ZrixTe多晶薄膜作为太阳 能电池的吸收层，大大加宽了太阳光的光谱吸收范围，提高了太阳光谱的利用 效率；而CdkZrixTe多晶薄膜的功函数较CdTe低，当其与背接触电极层ZnTe: Cu结合时，有效解决了这类电池急需解决的关键技术问题欧姆接触，从而提 高了这种电池的光电转换效率和稳定性。


图l为本发明的CdkZnJb薄膜太阳能电池的剖面结构示意图具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明见图l，本发明的薄膜太阳能电池，包括玻璃衬底l，在玻璃衬底上依次沉积有透明导电氧化物前电极层2、n型CdS窗口层3、p型Cd^ZnJe吸收层4、 背接触电极层5。本发明的薄膜太阳能电池的制备工艺如下-1. 在玻璃衬底1表面热沉积透明导电氧化物前电极层2，透明导电氧化物 薄膜可选用ITO、 Sn02:F、 ZnO:Al中的一种热沉积，前电极层2的厚度为800 1500纳米。2. 用磁控溅射方法在前电极层2上沉积n型CdS窗口层3，厚度在20 150 纳米；3. 继续用磁控溅射方法在n型CdS窗口层3上沉积Zn组分x值随薄膜厚 度渐变的P型Cd^Z Te薄膜吸收层4，形成具有渐变带隙结构的p型Cd^ZrVTe 薄膜吸收层4，薄膜厚度在500 2000纳米。Zn组分的x值在P型Cd^Zr^Te 薄膜吸收层4的厚度方向从1渐变到0，再由0渐变到1，即从CdS窗口层到距 离背接触电极层的10 100纳米内由1渐变到0，也就是说靠近CdS窗口层端 的吸收层4的x值是缓慢渐变的，余下的10 100纳米厚度内的x值由0渐变 到1 ，渐变速度是相当快的。然后对P型CdkZrWTe薄膜吸收层4进行热处理， 热处理具体步骤如下3A.石英源片的制备在石英片上涂敷(CdCl2)Ly + (ZnCl2)y层，y=0.05 0.5%。厚度控制在5 50 微米。3B.将涂敷有(CdCl2;h.y + (ZnCl2)y层石英源片放置在两根互相平行的石英垫条上，垫条厚度大约l毫米，并将涂敷膜面朝下倒扣在垫条上。将其和制备有P型Cd^ZnxTe薄膜的样品一起放在退火炉中的样品架上进行热处理，热处理温 度为380°C-520 °C ，热处理时间20-40分钟。3C.然后对经热处理的Cd^ZnxTe薄膜表面进行腐蚀，腐蚀剂采用溴甲醇 溶液(溴0.21111+甲醇lOml)，腐蚀时间为10秒左右。因为退火后的CdkZr^Te薄 膜表面粗糙，经过腐蚀后，膜面变得光滑，在Cd^ZnJe薄膜表面会形成一层 富Te的p+层，能提高电导率，有利于与背接触电极层5形成很好的欧姆接触。4.采用真空蒸发法或者磁控溅射法在Cd^ZnxTe薄膜吸收层4上沉积P型 Cu掺杂的ZnTe背接触电极层5，掺Cu原子浓度为3 7%，厚度为50 60纳 米。
权利要求
1. 一种碲锌镉薄膜太阳能电池，包括玻璃衬底(1)，其特征在于在玻璃衬底(1)上依次沉积有透明导电氧化物薄膜前电极层(2)、n型CdS窗口层(3)、p型Cd1-xZnxTe吸收层(4)、P型ZnTe:Cu背接触电极层(5)。
2. 根据权利要求l的一种碲锌镉薄膜太阳能电池，其特征在于所说的透 明导电氧化物薄膜是ITO、 Sn02:F、 ZnO:Al中的一种。
3. 根据权利要求1的一种碲锌镉薄膜太阳能电池，其特征在于所说的p 型Cdi.xZnxTe吸收层(4)中的Zn组分x值在其厚度方向渐变，形成一个渐变 带隙结构的CdLxZiWTe吸收层。
4. 根据权利要求1的一种碲锌镉薄膜太阳能电池，其特征在于所说的 Cd^ZnxTe吸收层的厚度为500 2000纳米。
5. 根据权利要求3的一种碲锌镉薄膜太阳能电池，其特征在于所说的 Cd^ZiixTe吸收层中的Zn组分x值在其厚度方向，即从CdS窗口层到距离背接 触电极层的10 100纳米内由l渐变到0，余下的厚度由0渐变到1。
6. 根据权利要求1的一种碲锌镉薄膜太阳能电池，其特征在于所说的P型 ZnTe背接触电极层为Cu掺杂的ZnTe 。
7. 根据权利要求1或6的一种碲锌镉薄膜太阳能电池，其特征在于所说 的P型ZnTe背接触电极层厚度为50 60纳米。
全文摘要
本发明公开了一种碲锌镉薄膜太阳能电池，该电池包括玻璃衬底，在玻璃衬底上依次沉积有透明导电氧化物前电极层、n型CdS窗口层、p型Cd_1-xZn_xTe吸收层、P型ZnTe∶Cu背接触电极层。本发明的优点是p型Cd_1-xZn_xTe吸收层是一个渐变带隙的吸收层，通过渐变带隙来拓宽太阳能电池的响应波段。利用P型Cd_1-xZn_xTe吸收层具有较低的功函数特征，当其与背接触电极层ZnTe∶Cu结合时，能有效解决其欧姆接触问题，从而提高了这种电池的光电转换效率和稳定性。
文档编号H01L31/078GK101276854SQ20081003715
公开日2008年10月1日 申请日期2008年5月9日 优先权日2008年5月9日
发明者江锦春, 石富文, 褚君浩 申请人:上海太阳能电池研究与发展中心