CdS/CdTe多晶薄膜及其化合物太阳能电池的制备与研究

【摘要】：成本低廉、转换效率可与传统硅基太阳能电池相媲美的化合物半导体薄膜太阳能电池的研究和制备,是当今光伏领域的研究热点。CdS/CdTe多晶薄膜太阳电池是下一代薄膜太阳能电池的重要候选者,受到人们的高度重视,发展十分迅速。 制备CdS以及CdTe薄膜的方法很多,常见制备CdS/CdTe薄膜太阳能电池的是干法和湿法相结合的制备工艺,即利用化学水浴法制备CdS窗口层,再利用溅射或蒸发等物理手段制备CdTe吸收层。本文利用全干的物理手段制备了CdS和CdTe薄膜,以及CdS/CdTe薄膜太阳能电池,成本低廉,工艺简单,无污染,有利于实现生产流水线作业。 本文首先介绍了利用电子束蒸发制备CdS多晶薄膜的原理和过程,对不同在衬底温度下制备的样品,利用XRD,AFM,光学透过率谱和吸收谱等测试手段研究了CdS多晶薄膜结构和光电性能。结果表明,CdS薄膜表面均匀、致密,均表现出沿(002)晶向的择优生长,随着衬底温度的升高,晶粒尺寸增大,择优取向增强。CdS薄膜的光学带隙在2.42-2.48eV之间,薄膜中Cd含量的变化使得其光学带隙随着衬底温度的升高而略微增大。另外,在P型硅衬底上淀积了厚度为150nm的CdS多晶薄膜,CdS与P型硅衬底形成的异质结表现出良好的整流特性和光伏效应,表明其适合作为太阳能电池的窗口层。 其次,利用真空蒸发方法在不同衬底温度和气压下淀积了CdS薄膜。XRD谱表明薄膜均为具有六方相结构的多晶薄膜,并呈现沿(002)晶向的择优取向生长。升高衬底温度,(002)晶向的衍射峰半高宽减小,表明晶粒尺寸增大。增大保护气体压强会导致晶粒尺寸减小,减弱薄膜的晶化程度。淀积的薄膜致密连续,表面粗糙度随衬底温度升高而增大,随气压的增加而显著降低,并根据分子动力学理论对结果加以解释。制备的CdS薄膜具有较高的透过率,由于薄膜中Cd、S的比例变化,其光学带隙随衬底温度的升高而增大,随气压的升高而减小。对薄膜进行霍尔测试,发现升高衬底温度或增大压强,均导致薄膜电阻率增大。 随后,利用电子束蒸发方法制备了不同厚度的CdTe薄膜,并在氮气气氛中、不同温度下进行退火处理。对薄膜的表征结果表明,制备的CdTe薄膜均为具有立方相的多晶薄膜,并呈现沿(111)晶向的高度择优取向生长。升高退火温度,促进了薄膜晶化,晶粒尺寸增大。(111)晶向的衍射峰与对应于其他晶向衍射峰的强度比值随退火温度的升高而大幅降低,表明退火处理使得其他晶向的晶粒通过吞并(111)晶向的晶粒而生长。AFM图像表明,经400℃退火处理后,颗粒尺寸增大约一个数量级,同时薄膜仍保持较高的平整度。CdTe薄膜样品的吸收边随厚度的增加而趋于陡直,并向长波长方向移动,薄膜的光学带隙随厚度增加而略微减小。通过对薄膜折射率的计算,发现经300℃退火处理的样品致密程度最高,导致其透射率最低。 最后,利用电子束蒸发和真空蒸发工艺制备了CdS/CdTe薄膜太阳能电池。其中采用电子束蒸发方法单腔制备完整电池结构为首次报道。研究了不同结构和不同工艺制备的电池性能差异,分析两者对电池性能的影响。结果表明,背接触过渡层材料CuxTe可以有效降低CdTe层与金属背电极的接触电阻,使得电池短路电流增大近一倍,从而提高了转换效率。电子束蒸发制备的薄膜电池虽电阻较大从而导致短路电流较小,但在无光照时表现出更好的整流特性,光照时产生的开路电压大于500mV,转换效率达1.73%。 【关键词】：硫化镉 碲化镉 多晶薄膜 电子束蒸发 真空蒸发 太阳能电池
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 引言11-12
• 1.2 太阳能电池分类12-13
• 1.3 薄膜太阳能电池简介13-16
• 1.3.1 非晶硅和多晶硅薄膜电池13-14
• 1.3.2 铜铟镓硒薄膜电池14-15
• 1.3.3 碲化镉薄膜电池15-16
• 1.4 太阳能电池的基本工作原理16-17
• 1.5 太阳能电池的主要参数17-18
• 1.6 本文工作的主要内容18-20
• 参考文献20-22
• 第二章 CdS多晶薄膜的制备与表征22-40
• 2.1 引言22
• 2.2 实验22-25
• 2.2.1 电子束蒸发法22-23
• 2.2.2 真空蒸发法23-24
• 2.2.3 测试24-25
• 2.3 结果与讨论25-37
• 2.3.1 电子束蒸发法制备的CdS薄膜特性25-31
• 2.3.1.1 结构特性25-26
• 2.3.1.2 表面形貌26-28
• 2.3.1.3 光学特性28-30
• 2.3.1.4 电学特性30-31
• 2.3.2 真空蒸发法制备的CdS薄膜特性31-37
• 2.3.2.1 结构特性31-32
• 2.3.2.2 表面形貌32-35
• 2.3.2.3 光学带隙35-36
• 2.3.2.4 电学特性36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 参考文献38-40
• 第三章 电子束蒸发制备CdTe多晶薄膜40-55
• 3.1 引言40
• 3.2 实验40-41
• 3.3 结果与讨论41-52
• 3.3.1 结构表征41-44
• 3.3.2 表面形貌44-45
• 3.3.3 光学性质45-52
• 3.4 本章小结52-53
• 参考文献53-55
• 第四章 CdS/CdTe薄膜电池的制备与性质55-62
• 4.1 引言55
• 4.2 实验55-56
• 4.3 结果与讨论56-59
• 4.4 本章小结59-60
• 参考文献60-62
• 第五章 总结与展望62-65
• 5.1 总结62-63
• 5.2 展望63-65
• 攻读硕士学位期间发表的工作65-67
• 致谢67-69

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