專利名稱：一種下層配置的n-i-p結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及II -VI簇半導(dǎo)體薄膜太陽能電池，具體是指一種下層配置的n-i-p結(jié)構(gòu)的CMTe薄膜太陽能電池。
背景技術(shù)：
目前CdS/CdTe薄膜太陽能電池的最高轉(zhuǎn)化效率為17. 3%，理論研究表明，影響進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化效率的主要障礙在于開路電壓的提高，而CdTe薄膜低的載流子濃度和少子壽命，以及背接觸勢壘是影響開路電壓提高的主要原因。對于上層配置的CdS/CdTe薄膜太陽能電池，主要采用如下途經(jīng)來解決1. CdCl2熱退火激活載流子，使載流子濃度達(dá)IO14CnT3 ；2.采用含Cu復(fù)合背電極，例如Cu/Au、Cu/石墨，或者采用重?fù)诫sHg或Cu的石墨； 或者采用高載流子濃度的緩沖層ZnTe = Cu作為背接觸層和高功函數(shù)的金屬材料如Ni、Mo、Hg、Pb和Au等作為電極層構(gòu)成的復(fù)合電極。3.結(jié)合制備工藝在CdTe層材料中形成Ved+空位和Cued的替位式缺陷，顯著提高P-型載流子濃度，但是電極合金化溫度過高，Cu會擴(kuò)散到pn結(jié)界面和CdS層，影響電池效率和產(chǎn)生轉(zhuǎn)換效率的衰減。對于下層配置的CdS/CdTe薄膜太陽能電池，由于首先制備背電極和背接觸層，在隨后的高溫制備過程中上述金屬雜質(zhì)會擴(kuò)散進(jìn)入電池內(nèi)部，影響電池性能。例如如果制備工藝和退火溫度過高，Cu會在CdTe材料中形成間隙式η型載流子，降低ρ-CdTe材料的載流子濃度，同時Cu會向pn結(jié)和CdS層擴(kuò)散；但是如果退火溫度過低，p-CdTe薄膜材料不能有效激發(fā)載流子，同時再結(jié)晶晶粒發(fā)育不充分。因此在下層配置的CdTe薄膜太陽能電池的制備中，將含Cu背接觸復(fù)合電極整合到電池的制備工藝中是一個迫切需要解決的問題。非晶硅薄膜太陽能電池是典型的p-i-n雙結(jié)型電池結(jié)構(gòu)，其中P-I結(jié)和I-N結(jié)均為同質(zhì)結(jié)，在P區(qū)和η區(qū)間產(chǎn)生內(nèi)建電場，i區(qū)為有源區(qū)，光生載流子在i區(qū)產(chǎn)生并在內(nèi)建電場的作用下分別被P區(qū)和η區(qū)收集。理論研究表明，CdTe薄膜太陽能電池采用n-i-p型的電池結(jié)構(gòu)可以有效提高開路電壓，因此n-i-p型的CdTe薄膜太陽能電池成為研究的熱點(diǎn)。目前形成n-i-p型的電池結(jié)構(gòu)有兩種方案一種方案是在p-CMTe薄膜與金屬背電極之間加入一層p-ZnTe寬帶隙的半導(dǎo)體,但是CdTe/ZnTe異質(zhì)結(jié)能帶突變不利于背電極對p_型載流子空穴的收集，并且CdTe和ZnTe異質(zhì)界面的晶格失配產(chǎn)生了大量的載流子復(fù)合中心。另一種方案是在n-CdS薄膜與p-CdTe薄膜之間加入FeSx,但是FeSx后退火形成FeS2是在富S氣氛和400°C 500°C溫度下進(jìn)行，導(dǎo)致背電極金屬雜質(zhì)的擴(kuò)散和Fe元素擴(kuò)散進(jìn)入CdTe材料，從而降低電池性能，同時CdS/FeS2，F(xiàn)eS2/CdTe均為異質(zhì)結(jié)，存在著能帶突變和晶格失配的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述CdS/CdTe薄膜太陽能電池存在的問題，特別是為了進(jìn)一步提高CdS/CdTe薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，本發(fā)明提出了一種下層配置的n-i-p結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜太陽能電池。
本發(fā)明的一種下層配置的n-i-p結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜太陽能電池，包括襯底，在襯底上依次生長有金屬M(fèi)o復(fù)合背電極層、重?fù)诫sP + -CdTe層、i-CdTe層、n_CdS層、前電極透明導(dǎo)電氧化物薄膜層。所述的復(fù)合背電極為三層金屬M(fèi)o薄膜復(fù)合而成，從襯底起，依次為80 150nm厚的高阻殘余壓應(yīng)力金屬M(fèi)o薄膜，500 700nm厚的低阻殘余拉應(yīng)力金屬M(fèi)o薄膜，20 30nm厚的低阻高反射殘余拉應(yīng)力金屬M(fèi)o薄膜。所述的重?fù)诫sP + -CdTe層是由CdCl2熱退火和Cu摻雜形成，p_型載流子濃度>1015cm 3，薄膜厚度為 300nm lOOOnm。所述的i-CdTe層是中性含氧CdTe: O薄膜，氧含量原子百分比為O. I 1%，薄膜厚度為 IOOOnm 3000nm。 所說述的襯底為玻璃、柔性無應(yīng)力鋼、耐高溫聚合物薄膜中的一種。所述的前電極透明導(dǎo)電氧化物薄膜為ZnO = Al薄膜或者為Zn0:Al/i-Zn0雙層薄膜。本發(fā)明的顯著特點(diǎn)在于i_CdTe / P + -CdTe同質(zhì)結(jié)避免了界面的晶格失配和能帶的不連續(xù)；重?fù)诫sP + -CdTe改善了 CdTe:0層的內(nèi)建電場，提高了載流子的收集率，顯著降低了金屬背電極和CdTe薄膜的接觸勢壘，提高了電池的開路電壓；調(diào)節(jié)CdTe:0層的厚度可以實(shí)現(xiàn)對入射光輻射的最大吸收和轉(zhuǎn)化，CdTe摻氧可以鈍化缺陷同時降低Cu向CdTe = O層和n-CdS層的擴(kuò)散。


圖I為本發(fā)明的一種下層配置的n-i-p結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明如附圖I所示，本實(shí)施例的一種下層配置的n-i-p結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜太陽能電池，包括襯底6，在襯底6上依次生長有金屬M(fèi)o復(fù)合背電極5、P + -CdTe層4、i-CdTe層3、n-CdS層2和前電極氧化物透明導(dǎo)電膜I。本實(shí)施例采用磁控濺射法，具體工藝過程如下I.襯底6為耐400°C高溫的聚酰亞胺，在聚酰亞胺薄膜上依次磁控濺射80 150nm厚的高阻殘余壓應(yīng)力金屬M(fèi)o薄膜、500 700nm厚的低阻殘余拉應(yīng)力金屬M(fèi)o薄膜、20 30nm厚的低阻高反射殘余拉應(yīng)力金屬M(fèi)o薄膜,構(gòu)成金屬M(fèi)o復(fù)合背電極5。2.將上述樣品加熱到250°C 300°C，磁控濺射制備300 IOOOnm厚的CdTe薄膜，然后對CdTe薄膜進(jìn)行熱處理。熱處理工藝如下a.采用干法退火工藝,在石墨舟中以CdCl2為蒸發(fā)源，CdTe薄膜和CdCl2蒸發(fā)源面的距離為2 3臟,在37CTC 40CTC溫度下，退火30 40min ；b. 60 80°C溫水沖洗，干燥氮?dú)獯蹈伞?.再將上述樣品放到濺射腔內(nèi)，室溫濺射制備2 5nm厚的金屬Cu薄膜，隨后在250°C 300°C溫度下，退火20 30min。
4.用濃鹽酸與去離子水按1:6混合配制成的稀鹽酸沖洗上述樣品，去除樣品表面殘留的Cu和氧化膜，再用去離子水沖洗，干燥氮?dú)獯蹈?。在金屬M(fèi)o復(fù)合背電極上構(gòu)成P + -CdTe 層 4。5.低溫150°C 250°C，磁控濺射制備1000 3000nm厚的CdTe薄膜。工作氣體為Ar和O2混合氣體，O2的流量比〈5%。在P + -CdTe層上構(gòu)成i_CdTe層3。6.磁控濺射制備80 200nm厚的n-CdS薄膜，然后在溫度為200°C 220°C，Ar+02氣氛，流量比為Ar:02=8:l，氣壓為O. 75 Iatm的氣氛中退火。在i-CdTe層3上構(gòu)成n-CdS薄膜2。 7.在n-CdS層2上磁控濺射制備Zn02:Al/i:Zn0雙層透明導(dǎo)電薄膜。Ζη02:Α1薄膜的厚度為700nm，i:ZnO薄膜的厚度為80nm。
權(quán)利要求
1.一種下層配置的n-i-p結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜太陽能電池，包括襯底(6)，其特征在于在襯底上依次生長有金屬M(fèi)o復(fù)合背電極層(5)、重?fù)诫sP + -CdTe層(4)、i-CdTe層(3)、n-CdS層(2 )、前電極透明導(dǎo)電氧化物薄膜層(I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的一種下層配置的n-i-p結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜太陽能電池，其特征在于所說的復(fù)合背電極層(5)為三層金屬M(fèi)o薄膜復(fù)合而成，從襯底起，依次為80 150nm厚的高阻殘余壓應(yīng)力金屬M(fèi)o薄膜，500 700nm厚的低阻殘余拉應(yīng)力金屬M(fèi)o薄膜，20 30nm厚的低阻高反射殘余拉應(yīng)力金屬M(fèi)o薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的一種下層配置的n-i-p結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜太陽能電池，其特征在于所述的重?fù)诫sP + -CdTe層(4)是由CdCl2熱退火和Cu摻雜形成，p-型載流子濃度>1015cm 3，薄膜厚度為 300nm lOOOnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的一種下層配置的n-i-p結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜太陽能電池，其特征在于所述的i-CdTe層(3)是中性含氧CdTe:0薄膜，氧含量原子百分比為O. I 1%，薄膜厚度為 IOOOnm 3000nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的一種下層配置的n-i-p結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜太陽能電池，其特征在于所說述的襯底(6)為玻璃、柔性無應(yīng)力鋼、耐高溫聚合物薄膜中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種下層配置的n-i-p結(jié)構(gòu)的CdTe薄膜太陽能電池，該電池包括襯底，在襯底上依次生長有金屬M(fèi)o復(fù)合背電極層、重?fù)诫sp＋-CdTe層、i-CdTe層、n-CdS層、前電極透明導(dǎo)電氧化物薄膜層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是i-CdTe／p＋-CdTe同質(zhì)結(jié)避免了界面的晶格失配和能帶的不連續(xù)；重?fù)诫sp＋-CdTe層改善了中性CdTe:O層的內(nèi)建電場，提高了載流子的收集率，顯著降低了金屬背電極和CdTe薄膜的接觸勢壘，提高了電池的開路電壓；調(diào)節(jié)中性CdTe:O層的厚度可以實(shí)現(xiàn)對入射光輻射的最大吸收和轉(zhuǎn)化，CdTe摻氧可以鈍化缺陷同時降低Cu向中性CdTe:O層和n-CdS層的擴(kuò)散；整個制備工藝可以在低于400℃的溫度下進(jìn)行。
文檔編號H01L31/0352GK102891204SQ201210395379
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者張傳軍, 鄔云華, 王善力, 褚君浩 申請人:上海太陽能電池研究與發(fā)展中心