一種多結多疊層碲化鎘薄膜太陽能電池及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽能電池和一種多結多疊層薄膜太陽能電池及其制備方法，特別是 具有多結多疊層的碲化鎘薄膜太陽能電池結構及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 自從法國科學家AE.Becquerel在1839年發(fā)現(xiàn)光電轉換現(xiàn)象以后，1883年第一個 以半導體硒為基片的太陽能電池誕生。1946年Russell獲得了第一個太陽能電池的專利 (US. 2, 402, 662)，其光電轉換效率僅為1%。直到1954年，貝爾實驗室的研究才發(fā)現(xiàn)了摻雜 的硅基材料具有高的光電轉換效率。這個研究為現(xiàn)代太陽能電池工業(yè)奠定了基礎。在1958 年，美國Haffman電力公司為美國的衛(wèi)星裝上了第一塊太陽能電池板，其光電轉換效率約 為6%。從此，單晶硅及多晶硅基片的太陽能電池研究和生產有了快速的發(fā)展，2006年太陽 能電池的產量已經達到2000兆瓦，單晶硅太陽能電池的光電轉換效率達到24. 7%，商業(yè)產 品達到22. 7%，多晶硅太陽能電池的光電轉換效率達到20. 3%，商業(yè)產品達到15. 3%。
[0003] 另一方面，1970年蘇聯(lián)的ZhoresAlferov研制了第一個GaAs基的高效率III_V 族太陽能電池。由于制備III-V族薄膜材料的關鍵技術M0CVD(金屬有機化學氣相沉積）直 到1980年左右才被成功研發(fā)，美國的應用太陽能電池公司在1988年成功地應用該技術制 備出光電轉換效率為17 %的GaAs基的III-V族太陽能電池。其后，以GaAs為基片的III-V 族材料的摻雜技術，多級串聯(lián)太陽能電池的制備技術得到了廣泛的研究和發(fā)展，其光電轉 換效率在1993年達到19 %，2000年達到24 %，2002年達到26 %，2005年達到28 %，2007 年達到30%。2007年，美國兩大III-V族太陽能電池公司Emcore和SpectroLab生產了高 效率III-V族太陽能商業(yè)產品，其光電轉換率達38 %，這兩家公司占有全球III-V族太陽能 電池市場的95 %，最近美國國家能源研究所宣布，他們成功地研發(fā)了其光電轉換效率高達 50%的多級串聯(lián)的III-V族太陽能電池。由于這類太陽能電池的基片昂貴，設備及工藝成 本高，主要應用于航空、航天、國防和軍工等領域。
[0004] 國外的太陽能電池研究和生產，大致可以分為三個階段，即有三代太陽能電池。
[0005] 第一代太陽能電池，基本上是以單晶硅和多晶硅基單一組元的太陽能電池為代 表。僅注重于提高光電轉換效率和大規(guī)模生產，存在著高的能耗、勞動密集、對環(huán)境不友善 和高成本等問題，其產生電的價格約為煤電的3倍；直至2014年，第一代太陽能電池的 產量仍占全球太陽能電池總量的80-90%。
[0006] 第二代太陽能電池為薄膜太陽能電池，是近幾年來發(fā)展起來的新技術，它注重于 降低生產過程中的能耗和工藝成本，專家們稱其為綠色光伏產業(yè)。與單晶硅和多晶硅太陽 能電池相比，其薄膜高純硅的用量為其的1%，同時，低溫（大約200°C左右）等離子增強型 化學氣相沉積沉積技術，電鍍技術，印刷技術被廣泛地研究并應用于薄膜太陽能電池的生 產。由于采用低成本的玻璃、不銹鋼薄片，高分子基片作為基板材料和低溫工藝，大大降低 了生產成本，并有利于大規(guī)模的生產。目前已成功研發(fā)的薄膜太陽能電池的材料為：CdTe， 其光電轉換效率為16. 5%，而商業(yè)產品約為12%左右；CulnGaSe(CIGS)，其光電轉換效率 為19. 5%，商業(yè)產品為12%左右；非晶硅及微晶硅，其光電轉換效率為8. 3~15%，商業(yè)產 品為7~12%，近年來，由于液晶電視的薄膜晶體管的研發(fā)，非晶硅和微晶硅薄膜技術有了 長足的發(fā)展，并已應用于硅基薄膜太陽能電池。圍繞薄膜太陽能電池研究的熱點是，開發(fā)高 效、低成本、長壽命的光伏太陽能電池。它們應具有如下特征：低成本、高效率、長壽命、材料 來源豐富、無毒，科學家們比較看好非晶硅薄膜太陽能電池。目前占最大份額的薄膜太陽能 電池是非晶硅太陽能電池，通常為pin結構電池，窗口層為摻硼的P型非晶硅，接著沉積一 層未摻雜的i層，再沉積一層摻磷的N型非晶硅，并鍍電極。專家們預計，由于薄膜太陽能 電池具有低的成本，高的效率，大規(guī)模生產的能力，在未來的10~15年，薄膜太陽能電池將 成為全球太陽能電池的主流產品。
[0007] 對于薄膜太陽能電池而言，一個單結的，沒有聚光的硅基電池，理論上最大光電轉 化效率為31%(Shockley-Queisser限制）。按照帶隙能量減少的的順序，雙結的沒有聚 光的硅基電池，理論上最大光電轉化效率可增加到41%，而三結的可達到49%。當結數(shù)η 增大（n )時，理論上最大光電轉化效率可增加到67%，如圖！所示。而且在聚光的情 況下，其最大光電轉化效率可達到更高水平。因此，發(fā)展多結薄膜太陽能電池是提升太陽能 電池效率的重要途徑。對于碲化鎘薄膜太陽能電池而言，碲化鎘及其相關材料的能隙大小 隨摻雜，改變組成和晶粒尺寸大小而變化。因此，可以通過選用這些材料來制備一種具有多 結多疊層結構的碲化鎘薄膜太陽能電池。
[0008] 在另一方面，如何充分地吸收光能，提高太陽能電池的光電轉化效率，讓盡可能多 的電子能被光激發(fā)而轉變?yōu)殡娔埽@樣，電池材料的能級匹配和少的缺陷是致關重要的。從 技術層面來說，薄膜沉積的技術難點在于實現(xiàn)高速沉積的同時保證薄膜的高質量和均勻 性，因為薄膜晶粒尺寸，晶粒生長過程及生長的基底材料都對薄膜的質量和均勻性有強烈 的影響，從而影響整個電池性能表現(xiàn)。在薄膜晶粒生長過程中，由于晶粒的異常長大，導致 晶粒大小不均勻，極易形成孔洞和裂縫。充斥于薄膜中的孔洞和裂縫增加了載流子的復合， 并且導致漏電流，嚴重降低了Voc和FF值。因此，解決這一技術難題，是制備高效薄膜太陽 能電池的重要途徑。
[0009] 碲化鎘（CdTe)薄膜太陽能電池是一種以p型CdTe及相關的材料和η型CdS的異 質結為基礎的薄膜太陽能電池。近年來，CdTe薄膜太陽能電池以其光電轉化率高、生產成 本低、高穩(wěn)定性、吸收光譜寬、生命周期結束后可回收等優(yōu)點，倍受中外關注。
[0010] CdTe薄膜太陽能電池是在玻璃或是其它柔性襯底上依次沉積多層薄膜而構成的 光伏器件。一般標準的CdTe薄膜太陽能電池由五層結構組成，如附圖1所示，其中箭頭方 向為光照方向。
[0011] 第一層是沉積在透明襯底上的透明導電氧化物（英文名稱為Transparent andConductiveOxide，簡稱TC0)層，主要起透光和導電的作用；第二層是CdS窗口層，該 層為η型半導體；第三層是CdTe吸收層，為p型半導體，該層與窗口層的η型CdS形成p-n 結，第四層是在CdTe吸收層上面沉積的背接觸（英文名稱為backcontact)層，該層的作 用是降低CdTe和金屬電極的接觸勢皇，使金屬電極與CdTe形成歐姆接觸；最后沉積在背接 觸層上的是背電極（英文名稱為backelectrode)層，該層為金屬材料層，與TC0層通過外 電路連接，用于將電流引出。具有上述結構的CdTe薄膜太陽能電池在工作時，當有光穿射 透明襯底和TC0層照射到p-n結，且光子能量大于p型CdTe禁帶寬度時，吸收層價帶中的 電子獲得能量躍迀到導帶，同時在價帶中產生空穴，在p-n結附近會產生電子-空穴對，產 生的非平衡載流子由于η型半導體到p型半導體形成的內建電場作用向空間電荷區(qū)兩端漂 移從而產生光生電勢。將ρ-η結與外電路導通時，電路中會出現(xiàn)電流。這是碲化鎘太陽能 電池的基本原理。

【發(fā)明內容】

[0012] 本發(fā)明要解決的技術問題是，針對現(xiàn)有技術存在的單結碲化鎘薄膜太陽能電池與 太陽能光譜能隙匹配較差、晶粒形成和生長過程中產生的缺陷的問題，以及如何充分吸收 太陽光并提高光電轉化效率，提出一種具有多結多疊層結構的碲化鎘薄膜太陽能電池及其 制備方法。
[0013] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是：
[0014] -種具有多結多疊層結構的碲化鎘薄膜太陽能電池，包括由CdTe相關材料吸收 層和CdS窗口層所形成的至少兩個pn結，一個pn結為一個電池單元結構，所述多結多疊層 結構的碲化鎘薄膜太陽能電池包括至少兩結不同能隙的電池單元結構，且所述電池單元結 構的能隙大小由高到低從頂電池單元向底電池單元逐漸降低；
[0015] 所述電池單元結構的能隙通過改變pn結中CdTe相關材料吸收層的材料來實現(xiàn)， 所述CdTe相關材料吸收層的材料選自以下三種材料中的一種或幾種：
[0016] (1)摻雜的碲化鎘合金材料：所述摻雜的碲化鎘合金材料選自：能隙在1. 40eV到 1.