[發明專利]一種基于單晶硅片襯底的CdS/CdTe太陽電池

有效

• 申請號: 201811263997.4
• 申請日: 2018-10-29
• 公開（公告）號: CN109545881B
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 曾廣根;馮良桓;武莉莉
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: H01L31/073
• 分類號: H01L31/073;H01L31/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于單晶硅片襯底的CdS/CdTe太陽電池的結構。通過選用電阻率為0.2Ωcm～30Ωcm的p?型單晶硅片做襯底，然后在其一面依次沉積CdTe薄膜、n?型CdS窗口層薄膜以及透明導電氧化物（TCO）薄膜，在其另一面依次沉積p?型ZnTe:Cu背接觸層薄膜和金屬電極，最終形成基本結構為TCO/CdS/CdTe/Si/ZnTe:Cu/金屬的異質結薄膜太陽電池。本發明所提出的新結構太陽電池，具有轉換效率高，成本低廉的特點，同時這種電池與太陽光譜匹配好且光譜響應范圍寬300nm～1100nm，適合于紫外?可見?紅外環境的應用。

技術領域

本發明屬于薄膜太陽電池的下層配置結構設計，特別涉及基于單晶硅片襯底的CdS/CdTe異質結薄膜太陽電池。

背景技術

CdTe薄膜太陽電池具有成本低廉，轉換效率高，制作工藝簡單的特點，目前小面積電池的轉化效率已超過22%。進一步提高電池轉換效率的途徑是優化電池的結構，拓展太陽電池在長波和短波上的響應。CdS窗口層的禁帶寬度為2.4eV，對波長小于500nm的太陽光有較大的吸收，會降低太陽電池在短波上的響應。根據朗伯-比爾定理，減少CdS窗口層的厚度能夠降低對短波的吸收，從而讓更多的太陽光到達電池的吸收層，改善電池的短波響應。但CdS減薄后會帶來包括電池旁路電阻減少等諸多科學問題，需要使用更合適的透明導電膜作前電極，還得在CdS與前電極之間引入緩沖層，以避免這些負面的影響。受制于吸收層CdTe的禁帶寬度1.5eV，目前CdTe薄膜太陽電池的長波響應均未超過900nm。根據太陽光的光譜分布，如果能夠拓展長波響應到1110nm，電池的短路電流理論上可增加35～40%。因此，需要在CdTe薄膜的背后引入能隙約為1.12eV的半導體，對長波進行有效的響應。單晶硅的帶隙為1.1eV，內部的電子與空穴壽命較長，且有較大的遷移率，如果能與CdTe組合，可以形成一種新的寬光譜響應的太陽電池；并且以單晶硅片做襯底，能夠優化CdTe薄膜太陽電池的制作工藝，降低技術難度，適用于現成的太陽電池制造設備。

本發明基于以上的構想和技術背景，全面考察了相關半導體材料的電子學性質與結構性能匹配，在調研并分析了各種材料體系集成的可行性基礎上，提出了一種結構為TCO/CdS/CdTe/Si/ZnTe：Cu/金屬的異質結薄膜太陽電池，并在透明導電薄膜和CdS窗口層之間，CdS層與CdTe層之間以及CdTe層與單晶硅片之間引入各種緩沖層，以優化器件結構，拓展光譜響應范圍，改善太陽電池的性能。

發明內容

本發明的目的，是設計出一種能夠改善太陽光譜響應的太陽電池新結構，提高太陽電池的轉換效率。

本發明通過如下技術方案予以實現：

一種基于單晶硅片襯底的CdS/CdTe太陽電池，其結構特征在于包括以下步驟：

A、采用厚度為80微米～240微米，電阻率為0.2Ωcm～30Ωcm的p-型單晶硅片做襯底，使用前先用濃度為1wt%～15wt%的氫氟酸溶液清洗單晶硅片表面，去除表面的SiO₂層；

B、將步驟A獲得的襯底放置在真空腔室內，采用一定的技術，比如近空間升華在襯底的一面沉積出厚度為0.5微米～5微米的CdTe薄膜；

C、將步驟B獲得的薄膜進行后處理，比如采用Cl^-氣氛，溫度為300℃～500℃，在空氣中處理15～60分鐘，獲得導電類型為弱n-型至p-型，即費米能級與導帶底的能量差大于0.5eV的性能優良的CdTe薄膜；

D、將步驟C獲得的CdTe薄膜進行表面改性，以去除表面的氧化層，在薄膜表面形成富碲層，比如采用溴甲醇溶液（溴0.01ml～0.5ml+甲醇100ml）在室溫下對退火后的CdTe薄膜表面進行腐蝕，時間為1～10秒左右，再用甲醇沖洗干凈；

E、將步驟D獲得的薄膜放置在真空腔室內，采用一定的技術，比如磁控濺射在CdTe薄膜表面沉積出厚度為1nm～150nm的n-型CdS窗口層；