论文摘要
CdTe是一种直接带隙Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体,理想的禁带宽度与很高的光吸收系数使其成为第二代高效率低成本太阳能电池的主要成员之一。CdTe薄膜太阳能电池是目前薄膜电池中组件效率最高的一种电池。最近的报道显示CdTe薄膜太阳能电池的最高转化效率已经达到18.7%,电池组件也实现了16.1%的转化效率,进一步扩大了该电池的应用前景与市场竞争力。然而,要获得高转化效率的CdTe薄膜太阳能电池却要面对许多问题：CdTe薄膜太阳能电池由CdS与CdTe两层多晶薄膜形成异质PN结,多晶薄膜相对单晶来讲具有更多的晶体学缺陷；CdTe的高功函数使其背电极的欧姆接触很难获得；CdTe的载流子浓度较低且难于掺杂；掺杂元素的扩散也会严重影响电池的稳定性。本论文主要针对如何制备高效率的CdTe薄膜太阳能电池进行了一系列研究与探索,并对CdTe薄膜太阳能电池的机理进行了研究与分析。第一章中,本文首先讨论了太阳能电池发电的应用前景与产业现状,然后介绍了太阳能电池发电的基本原理与性能分析,最后介绍了CdTe薄膜太阳能电池的发展历程以及电池的结构结构和工作原理。第二章中,本论文对CdS和CdTe薄膜的制备与热处理工艺进行了研究。对CdS化学水浴法的改进提高了CdS预制膜的质量与实验的可操作性,可根据需要制备任意厚度的高质量CdS薄膜。研究了影响近空间升华法制备CdTe薄膜的多种因素,并结合器件需要制备了均匀平整的CdTe薄膜。建立了CdCl2气相热处理系统与工艺。该工艺可以显著提高CdS薄膜的重结晶速度,并有效地防止CdS薄膜表面的过度氧化。通过该热处理工艺得到的CdS薄膜具有均匀、致密、单层大晶粒的优良形貌。高质量的CdS预制膜以及有效的热处理工艺,使得我们可以采用厚度仅80nm的CdS薄膜作为电池的窗口层,并且所获得的PN结具有优良的品质,为高效率电池的制备奠定了基础。开展了对CdTe薄膜采用CdCl2气相热处理的研究,研究了CdCl2气相热处理对CdS/CdTe互扩散的促进,以及由CdS与CdTe互扩散引起的电池反型层的出现。通过热处理条件的优化,采用气相CdCl2热处理的CdTe薄膜制备的电池转化效率取得了较高的电池转换效率。第三章中,主要介绍了对CdTe薄膜电池背电极制备的研究。研究了磷酸硝酸溶液对CdTe薄膜表面的刻蚀,发现经磷酸硝酸溶液刻蚀得到的富Te层在没有Cu掺杂的情况下即可以有效降低背电极处的肖特基势垒。系统研究了背电极Cu的掺杂对电池性能的影响以及由Cu的扩散引起电池稳定性的问题。研究结果表明CdTe内少量Cu的掺杂可以提高薄膜的载流子浓度,提高电池的填充因子与开路电压；而过量Cu的扩散会造成薄膜掺杂的反向补偿,导致CdTe薄膜电阻率升高,电池的填充因子严重下降；Cu的进一步扩散则会导致薄膜晶粒边界处大量Cu的富集,引起电池的短路。研究了CdTe薄膜太阳能电池的多种背电极的制备。主要包括：碳浆背电极、Cu-Au合金背电极以及新型MoO3缓冲层背电极。在高质量薄膜制备、有效的CdCl2热处理工艺以及对背电极Cu扩散深入研究的基础上,分别采用三种背电极获得了13.0%、14.6%和14.2%的高转化效率。第四章中,主要介绍了对CdTe薄膜太阳能电池I-V曲线的分析方法以及对不同Cu分布电池的变温特性研究。模拟了电池串联电阻、并联电阻、理想因子以及反向饱和电流在电池I-V曲线上的反映。通过电池变温特性的测试与分析,研究了CdTe薄膜的导电机制随温度与Cu扩散的变化,结合电池的I-V曲线与样品中Cu的分布研究了电池内Cu的扩散、浓度与缺陷状态等对电池性能的影响。通过对开路电压与反向饱和电流的分析研究了电池的主要复合机制,结果表明所测试的电池在光照情况下的复合机制,主要是空间电荷区的复合以及PN结界面处的复合,研究了电池内载流子复合随温度的变化,并验证了CdTe薄膜内一种深能级陷阱的普遍存在。