CdTe薄膜的電化學(xué)沉積、結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、碲化鎘(CdTe)薄膜太陽(yáng)能電池是一種以p型CdTe和n型CdS所組成的異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)的薄膜太陽(yáng)能電池。CdTe層作為光吸收層，其禁帶寬度為1.46 eV，光吸收率高，是一種典型的Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙半導(dǎo)體。CdTe薄膜太陽(yáng)能電池具有理論轉(zhuǎn)換效率高，電池性能穩(wěn)定，制備工藝簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，備受?chē)?guó)內(nèi)外關(guān)注。CdTe薄膜的制備方法有很多種，包括近空間升華法，氣相輸運(yùn)法，磁控濺射法和電化學(xué)沉積法等等。其中，電化學(xué)沉積法因其成本低廉，工藝簡(jiǎn)單，易于大面

2、積制備等優(yōu)點(diǎn)受到了廣大國(guó)內(nèi)外科研人員的青睞。
　　CdS層作為CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的窗口層，CdS中Cl濃度會(huì)影響電池中緩沖層的形成，化學(xué)浴沉積過(guò)程中Cl在CdS薄膜中的引入必將影響電池的性能。Cl摻雜CdTe是形成高效電池的必備條件。在電化學(xué)法制備的CdTe薄膜電池中，Cl通常通過(guò)電解質(zhì)溶液在電沉積過(guò)程中被引入CdTe薄膜中，以提高薄膜質(zhì)量和電池性能，但其作用機(jī)理尚不清晰。目前電化學(xué)沉積的CdTe薄膜的主要問(wèn)題是晶粒小，晶界多

3、，已有的退火方式會(huì)造成薄膜中氣孔較多，電池的光生載流子復(fù)合嚴(yán)重，電池轉(zhuǎn)換效率低。因此，需要優(yōu)化電化學(xué)沉積CdTe薄膜的退火工藝來(lái)提高CdTe薄膜的結(jié)構(gòu)和電池性能。同時(shí)，電化學(xué)沉積的CdTe薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和厚度的特殊性，也需要與其相適應(yīng)的背接觸層沉積和退火條件以提高電池性能。
　　本文重點(diǎn)就以上這些問(wèn)題展開(kāi)研究，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)研究了CdS薄膜中Cl殘留對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)性能及組裝電池性能的影響。研究采用醋酸鎘與氯化鎘兩

4、種溶液體系化學(xué)浴沉積CdS薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，兩種體系中沉積的CdS薄膜均為六方相結(jié)構(gòu)的n型半導(dǎo)體。退火后，CdCl2體系中制備的CdS薄膜晶粒尺寸要大于Cd(CH3COO)2體系中制備的CdS，其表面平整致密。所有CdS薄膜熱處理后的禁帶寬度都有所降低，但相比而言CdCl2體系中制備的CdS薄膜的禁帶寬度更大。從Mott-Schottky曲線計(jì)算的載流子濃度發(fā)現(xiàn)，退火會(huì)降低CdS薄膜的載流子濃度，但隨著更多Cl的引入載流子濃度又會(huì)增加。結(jié)

5、果表明，CdS薄膜中Cl的殘留將導(dǎo)致S空位及膜內(nèi)應(yīng)力的減少。通過(guò)組裝的電池性能發(fā)現(xiàn)，采用CdCl2體系制備的CdS薄膜組裝的電池性能更優(yōu)。
　　(2)通過(guò)對(duì)比含Cl與否的電解質(zhì)溶液所沉積CdTe薄膜的結(jié)構(gòu)性能，研究了Cl在電解質(zhì)溶液中的引入對(duì)CdTe薄膜的電沉積過(guò)程，結(jié)構(gòu)性能及所組裝電池性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，含Cl電解質(zhì)溶液中沉積出的CdTe薄膜的結(jié)構(gòu)性能均優(yōu)于不含Cl電解質(zhì)溶液中沉積出的薄膜，這要?dú)w因于薄膜電導(dǎo)率的提高，進(jìn)而減少

6、了薄膜沉積過(guò)程中反應(yīng)界面處的電位降，使得薄膜沉積以生長(zhǎng)為主，從而獲得了優(yōu)異的初始結(jié)晶質(zhì)量。此外，在不含Cl的電解質(zhì)溶液中，提高沉積電位同樣可獲得良好的結(jié)晶質(zhì)量。退火后，含Cl溶液中沉積的CdTe薄膜膜內(nèi)Cl的殘留使得所組裝電池的性能得到了提高。
　　(3)提出了一種針對(duì)電化學(xué)沉積法制備CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的新型退火工藝。與傳統(tǒng)退火工藝相比，在Cl激活處理前，一個(gè)額外的預(yù)退火工藝被引入使得在Cl激活處理前CdTe薄膜可以獲得良好的

7、結(jié)晶性，最小化晶界的存在。因此，在第二步的Cl激活處理中，適度抑制了Cl沿著晶界滲入CdTe薄膜，并因此獲得了較傳統(tǒng)一步法更優(yōu)良的CdS/CdTe界面。界面處孔洞的減少，也使得所組裝的電池獲得了更高的量子效率及光電轉(zhuǎn)換效率。兩步法退火工藝為進(jìn)一步提高電化學(xué)沉積法制備CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的性能提供了一個(gè)新的思路。
　　(4)為了優(yōu)化電化學(xué)沉積法制備CdTe薄膜太陽(yáng)能電池中背接觸層的制備工藝，對(duì)不同酸腐時(shí)間，Cu層厚度及退火溫度處理