[发明专利]一种锡酸镉基透明导电膜、其生产工艺及太阳能电池

说明书

本申请提供了一种锡酸镉基透明导电膜、其生产工艺及太阳能电池。本申请的生产工艺中先将靶材在含氧气体环境中进行磁控溅射，再复合过渡膜层，之后在保护性气氛下进行退火。按照本发明的制备方法无需进行紧贴退火方式，直接在保护气氛下退火即可，大大简化了退火工艺，能够实现工业化大规模生产。本发明还提供了一种锡酸镉基透明导电膜及包含该锡酸镉基透明导电膜的太阳能电池，相比于现有商业化TCO膜，本发明提供的锡酸镉基透明导电膜的电学和光学性能明显提高。

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种锡酸镉基透明导电膜、其生产工艺及太阳能电池。

背景技术

碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池是一种商业化的高效太阳能电池，其常规结构如图1所示，包括衬底玻璃-TCO透明导电膜-窗口层-CdTe吸收层-过渡层-金属接触电极，其中TCO透明导电膜为太阳能电池的前电极，其作用是将半导体在太阳光照射下产生的载流子进行有效收集，同时减少本身电阻带来的能量损耗。由于常规碲化镉类太阳能电池是下进光结构，为了增进太阳光的利用率，需要更多的光进入半导体吸收层，将其转化成电子空穴对，从而将光能转化成电能，这就需要半导体之前的膜层如TCO膜层尽可能的少吸光，有较高的透光率，减少光在入射到吸收层之前的损失。

目前，商业化常用的TCO透明导电膜为SnO₂膜和ITO膜，可实验室制备的TCO导电膜有锡酸镉(Cd₂SnO₄，简称CTO)膜；CTO膜在膜厚为170nm以下时即可达到与SnO₂膜和ITO膜相当的面电阻，主要由于CTO在具备高载流子浓度6.6×10²⁰cm^-3的同时，还具有53.2cm²/Vs的高迁移率；而且，当CTO膜的方块电阻低于3ohm/□时，光学透过率在400～800nm波长范围内的均值可超过85％，远高于商业化的SnO₂膜和ITO膜。高的透光率使更多的光线照射到吸收层，增加电池的短路电流，从而提高电池的光电转换效率；低的电阻使CTO应用到太阳能电池时降低电池的串联电阻，提高电池的填充因子，进而提高电池的光电转换效率。CTO的另一特性是具有低的表面粗糙度，可取得粗糙度≤2nm的光滑表面，相比于商业化的SnO₂膜降低了一个数量级，低的粗糙度有利于使用薄的窗口层，提高短路电流，同时减少界面缺陷和界面复合，提高电池的开路电压。另外，CTO的高温稳定性较为优良，经高温处理后其电学性能没有发生较大改变，而SnO₂经高温退火处理后电阻显著增长，ITO膜的高温稳定性比SnO₂膜更差；碲化镉类太阳能电池中CdTe吸收层的制备工艺是高温工艺，TCO膜层的高温稳定性对碲化镉类太阳能电池也十分重要。由此可见，CTO膜的综合性能比目前商业化的SnO₂膜和ITO膜明显更好，是不可多得的适用于碲化镉太阳能电池的透明导电材料，因此，发展CTO的规模化生产对本领域具有重大意义。

然而，现有技术中制备CTO膜时，通常为常温下进行磁控溅射，然后再在N₂保护下，且于650℃甚至更高温度下与CdS薄膜紧贴退火(紧贴退火是指提供沉积在衬底的CTO薄膜，以及沉积在衬底的CdS薄膜，将带衬底的CTO薄膜与带衬底的CdS薄膜面对面贴合，如图2所示，再在高温下进行退火)，得到CTO膜。然而，该制备工艺中，退火时，需要在衬底上进行CdS膜与CTO膜面对面紧贴退火，衬底面平整度存在问题时，易导致CTO膜不均匀；且故该种面对面紧贴退火方式并不适合大规模自动化的流水线工艺，即使设计额外机械结构辅助膜面紧贴退火，也会大大增加工业化大规模自动化生产的难度。另外，CdS膜层多次使用，容易沾污杂质，从而进一步污染CTO膜层，使CTO的性能达不到预期效果，还为工艺的稳定性带来不可控因素；另外，退火往往需要在650℃甚至更高温度下进行，其超过了普通玻璃衬底的软化温度，需要使用特殊耐高温衬底，该退火方式大大增加了膜材的制作成本，限制了工业规模化生产。因此，现有技术中，CTO膜往往仅能实现实验室制备和研究，而难以实现工业化大规模生产。

发明内容