[发明专利]硫化镉薄膜太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料与器件领域，特别涉及一种半导体薄膜太阳电池的制备方法。

背景技术

硫化镉（CdS）是一种重要的光敏半导体，广泛应用于光电子学领域，如光电导气体传感器、光电管、半导体激光器、红外探测器、太阳电池等。

CdS在光伏领域的重要应用就是制作CdS太阳电池，这类太阳电池是以CdS为基体材料制备出来的，因其光谱响应与太阳光谱匹配甚佳，适合作太阳电池，可获得比较高的理论转化效率（见图1）。20世纪50年代，在光伏领域获得较大关注的CdS太阳电池结构为：CdS/Cu/电极，其制备方法通常采用适当掺杂的n型CdS单晶，在一面镀上Cu，并退火处理，最后引出接触电极，制备出CdS太阳电池，可获得5~8%的光电转换效率。但其生产周期比较长，而且成本很高。为此，类似单晶CdS太阳电池制作工艺，又发展了CdS多晶薄膜太阳电池，其结构为：玻璃/透明导电氧化物薄膜（TCO）/ CdS/Cu/电极，这样可获得廉价的大面积器件，并且效率足够高的薄膜电池较之用较厚的单晶体制成的电池有更大的单位质量输出功率。其制作方法是透明导电玻璃上沉积CdS薄膜，随后沉积Cu，然后热处理，最后接上引线。热处理的气氛为：N₂气或大气，这样，有可能形成Cu_xS、Cu₂O，因此，其物理机制颇有争议，很难判定和CdS形成的是金属-半导体结，还是半导体-金属-半导体结，或者是半导体-半导体结，另一方面，其光电转换效率不高（4~5%）。近来，Kashiwaba等人（见Solar energy materials and solar cells, 2003,75:253-259）对上述CdS多晶薄膜太阳电池的结构和工艺稍作改进，获得了比较好的器件性能。他们改进后的结构为：玻璃/ITO/Cu/CdS/Al电极。首先，Cu沉积在ITO上，随后在不同衬底温度下沉积CdS 薄膜，最后镀上电极，其中，Cu是作为受主杂质。在真空中进行热处理，Cu通过扩散作用，对CdS进行p型掺杂，形成同质结的CdS多晶薄膜太阳电池。由于热扩散作用形成p型材料很难确定势垒区的位置，加上CdS具有自补偿效应，不容易实现p型掺杂，使得制备的CdS一般为n型半导体。因此，通过扩散处理获得p型CdS比较困难。另外，高温下，铜也会向ITO扩散，影响前电极性能，同时，铜的不完全扩散或残留还会影响太阳光的透过。

除了上述CdS基太阳电池，还有一种CdS基太阳电池采用“Clevite 工艺”制作而成，即以CdS单晶或薄膜为基体，浸渍热的Cu₂Cl₂溶液，反应生成p型Cu₂S，从而获得异质结CdS太阳电池，虽然这种电池成本比较低，电池的效率都在5~8%，可以实现规模化生产，但这种电池很难控制p型化合物Cu_xS的相，容易产生混合相，同时，电池伴有衰降现象。

因此，上述两种电池都未获得较大的发展。

发明内容

本发明的目的是为了消除上述太阳电池不足或缺陷，进一步改进CdS基薄膜太阳电池的结构和制备工艺，提出一种以Cd₂SnO₄为透明导电层，n型CdS为窗口层，Zn₂SnO₄作为透明导电层和窗口层之间的缓冲层材料，p型CdS作吸收层的CdS同质结太阳电池结构，在此基础上，采用干法工艺制备出同质结CdS太阳电池。采用上述结构和工艺，可更好收集和利用太阳光，有效地对CdS进行p型掺杂处理，并消除晶格失配和界面态带来的影响，从而获得更高的光电转换效率。