背接觸層結(jié)構(gòu)及包含其的CdTe太陽(yáng)能電池的制作方法
【專利摘要】本公開通過(guò)在CdTe薄膜和金屬背電極之間引入高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物層，大大減少實(shí)現(xiàn)歐姆背接觸所需的Cu元素的量，同時(shí)，過(guò)渡金屬氧化物層起著阻擋金屬背電極中金屬原子向CdTe以及CdS/CdTe p-n結(jié)處擴(kuò)散的作用，提高了背接觸電極的穩(wěn)定性，保證了電池的高轉(zhuǎn)換效率和在使用過(guò)程中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
【專利說(shuō)明】背接觸層結(jié)構(gòu)及包含其的CdTe太陽(yáng)能電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開屬于太陽(yáng)能光伏器件制備領(lǐng)域，特別涉及一種背接觸層結(jié)構(gòu)及包含其的CdTe太陽(yáng)能電池。

【背景技術(shù)】
[0002]CdTe是一種禁帶寬度為1.45eV的I1-VI族直接帶隙半導(dǎo)體，具有適合太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的最佳能帶結(jié)構(gòu)及帶隙。CdTe薄膜的吸收系數(shù)高達(dá)15CnT1,只需要2微米厚度，就可以將入射太陽(yáng)光中能量高于其禁帶寬度的99%的光子吸收。因此，CdTe作為一種具有應(yīng)用前景的薄膜太陽(yáng)能電池材料受到廣泛地關(guān)注。CdTe薄膜太陽(yáng)能電池一般采用如下的異質(zhì)結(jié)多層器件結(jié)構(gòu):高透光率玻璃/透明導(dǎo)電氧化物/N型硫化鎘/P型碲化鎘/背電極。其理論轉(zhuǎn)換效率為29%，目前該電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到20.4%。
[0003]P型半導(dǎo)體CdTe的功函數(shù)高達(dá)5.7eV，高于大多數(shù)金屬材料的功函數(shù)，在CdTe/金屬界面會(huì)形成肖特基勢(shì)壘而嚴(yán)重阻礙載流子的傳輸，在電池的電流-電壓特性曲線上表現(xiàn)為高電壓端電池的電流受到限制，在高于開路電壓端，造成曲線的扭曲，即文獻(xiàn)上被稱為“!■oil-over”的現(xiàn)象，降低器件性能。所以，在CdTe太陽(yáng)能電池制備過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)CdTe與背電極金屬的歐姆接觸是獲得高轉(zhuǎn)換效率電池的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了獲得良好的歐姆接觸，需要降低肖特基勢(shì)壘高度和減小肖特基結(jié)區(qū)寬度。迄今為止，通常使用的背接觸制備工藝多數(shù)都采用摻Cu材料或在CdTe表面沉積一層Cu來(lái)降低CdTe材料和金屬背電極的接觸勢(shì)壘。但是，由于在室溫條件下，背接觸結(jié)構(gòu)中的Cu在CdTe中的擴(kuò)散系數(shù)很大，長(zhǎng)期工作條件下,Cu會(huì)沿著晶界擴(kuò)散到CdTe及CdS/CdTe結(jié)區(qū),造成電池性能的衰減。在保證電池高轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)上，選擇包含更少量Cu、甚至是不含Cu的背接觸材料，實(shí)現(xiàn)電池在戶外長(zhǎng)期工作條件下的穩(wěn)定發(fā)電輸出是CdTe薄膜太陽(yáng)能電池在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
[0004]本公開通過(guò)在CdTe半導(dǎo)體薄膜和背電極金屬之間引入高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物層，大大減少實(shí)現(xiàn)歐姆背接觸所需的Cu的使用量，并且過(guò)渡金屬氧化物層的存在可以阻擋金屬背電極中金屬原子(如CiuNi等)向CdTe的擴(kuò)散，使得背接觸的低阻和穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，保證了電池的高光電轉(zhuǎn)換效率及其長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在本公開的一些實(shí)施方案中，提供一種用于制備CdTe太陽(yáng)能電池背電極的背接觸層結(jié)構(gòu):所述背接觸層結(jié)構(gòu)依次包括:
[0006]Cu金屬層，所述Cu金屬層沉積在經(jīng)過(guò)刻蝕預(yù)處理的CdTe薄膜表面；
[0007]高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物層；和
[0008]金屬背電極層。
[0009]在本公開的一些實(shí)施方案中，提供一種制造背接觸層結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括在經(jīng)過(guò)刻蝕預(yù)處理的CdTe薄膜表面上依次形成:
[0010]Cu金屬層；
[0011]高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物層；和
[0012]金屬背電極層。
[0013]在本公開的一些實(shí)施方案中，所述刻蝕處理包括化學(xué)刻蝕(刻蝕溶液為磷酸硝酸溶液或溴的甲醇溶液)、干法刻蝕(采用等離子束轟擊樣品表面)或者化學(xué)氣氛下的反應(yīng)刻蝕。
[0014]在本公開的一些實(shí)施方案中，Cu金屬層的厚度為0.3納米至10納米，優(yōu)選0.3納米至5納米，再優(yōu)選0.5至3納米，最優(yōu)選0.5納米至2納米。
[0015]在本公開的一些實(shí)施方案中，高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物的厚度為I納米到100納米，優(yōu)選I納米到50納米,再優(yōu)選I納米到30納米,最優(yōu)選5納米到20納米。
[0016](與下方重復(fù)表述)在本公開的一些實(shí)施方案中，所述過(guò)渡金屬氧化物層為非晶態(tài)薄膜或多晶態(tài)薄膜。
[0017]在本公開的一些實(shí)施方案中，過(guò)渡金屬氧化物通過(guò)物理濺射、熱蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積、溶膠-凝膠法或噴涂熱解法等制備。
[0018]在本公開的一些實(shí)施方案中，所述過(guò)渡金屬氧化物選自Mo0x、W0x、V0x、N1jPTaOx ；x表示該氧化物是化學(xué)計(jì)量比或非化學(xué)計(jì)量比的氧化物。
[0019]在本公開的一些實(shí)施方案中，所述高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物的功函數(shù)大小與其接觸的P型半導(dǎo)體CdTe功函數(shù)的關(guān)系為:所述高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物的功函數(shù)等于或大于P型半導(dǎo)體CdTe的功函數(shù)減去0.3eV。
[0020]在本公開的一些實(shí)施方案中，所述金屬背電極為功函數(shù)穩(wěn)定的純金屬材料或金屬合金材料。
[0021]在本公開的一些實(shí)施方案中，背接觸層結(jié)構(gòu)在所述金屬背電極層的形成之后經(jīng)歷真空退火處理。
[0022]在本公開的一些實(shí)施方案中，所述CdTe薄膜太陽(yáng)能電池包括根據(jù)本公開所述的背接觸層結(jié)構(gòu)。
[0023]在本公開的一些實(shí)施方案中，CdTe薄膜太陽(yáng)能電池包括:
[0024]透明襯底；
[0025]設(shè)置在所述透明襯底上的透明導(dǎo)電前電極；
[0026]設(shè)置在所述透明導(dǎo)電前電極上的CdS窗口層；
[0027]設(shè)置在所述CdS窗口層上的作為吸收層的CdTe薄膜；
[0028]設(shè)置在所述CdTe薄膜上的本公開所述的背接觸層結(jié)構(gòu)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1:基于本公開的背接觸層制備方法的流程圖。1:提供樣品(玻璃/透明導(dǎo)電膜/硫化鎘/碲化鎘)；2:樣品表面的刻蝕預(yù)處理；3:沉積Cu層；4:沉積過(guò)渡金屬氧化物層；5:沉積金屬背電極；6:真空退火處理。
[0030]圖2:基于本公開的CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。1:入射光；2:玻璃；3:透明導(dǎo)電薄膜；4:N型硫化鎘薄膜；5:P型碲化鎘薄膜；6 =Cu金屬層；7:過(guò)渡金屬氧化物層；8:金屬背電極。
[0031]圖3:基于實(shí)施方案一制得的CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性測(cè)試。曲線A:電池制備完成后，立刻在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光源(AM 1.5)下測(cè)得的電流-電壓(1-V)曲線圖；曲線B:電池在暗處室溫條件下放置266天之后在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光源(AM 1.5)下測(cè)得的1-V曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032]在本公開的一些實(shí)施方案中，為了解決現(xiàn)有CdTe薄膜太陽(yáng)能電池實(shí)際應(yīng)用中存在的穩(wěn)定性問(wèn)題，提供一種與CdTe薄膜太陽(yáng)能電池中的CdTe薄膜形成穩(wěn)定歐姆接觸的新型背接觸層結(jié)構(gòu)及其制備方法。
[0033]在本公開的一些實(shí)施方案中，在化學(xué)或物理刻蝕處理過(guò)的CdTe表面沉積一極薄的Cu金屬層，然后沉積高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物過(guò)渡層，最后沉積金屬背電極(圖1所示)。沉積完成后對(duì)整個(gè)背接觸層進(jìn)行退火處理，使得背電極中的Cu與CdTe表面反應(yīng)，生成利于CdTe歐姆接觸的碲化物退化半導(dǎo)體CuxTe層，以及使CdTe和背電極形成良好的接觸。本公開的電池結(jié)構(gòu)(圖2所示)為:玻璃/透明導(dǎo)電氧化物/N型硫化鎘/P型碲化鎘/銅/過(guò)渡金屬氧化物/金屬背電極，其中Cu層會(huì)在后續(xù)熱處理過(guò)程中與CdTe發(fā)生反應(yīng)并部分向CdTe擴(kuò)散，不會(huì)單獨(dú)存在。由于所采用的過(guò)渡金屬氧化物過(guò)渡層具有較高的功函數(shù)，可以減小由于金屬背電極和CdTe功函數(shù)不匹配導(dǎo)致的肖特基勢(shì)壘。使得CdTe表面僅僅需要少量的Cu摻雜即可實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。較少Cu的使用量以及過(guò)渡金屬氧化物層對(duì)背電極中雜質(zhì)離子擴(kuò)散的阻擋作用，提高了 CdTe太陽(yáng)能電池器件性能的穩(wěn)定性。
[0034]在本公開的一些實(shí)施方案中，所述的過(guò)渡金屬氧化物可以使用已有的薄膜制備技術(shù)獲得，包括但不局限于物理磁控濺射、熱蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積法或物理氣相沉積。
[0035]在本公開的一些實(shí)施方案中，所述過(guò)渡金屬氧化物包括但不局限于Mo0x，WOx, VOx,Ni0x*Ta0x;X表示該氧化物可以是化學(xué)計(jì)量比的氧化物也可以是非化學(xué)計(jì)量比的氧化物。
[0036]在本公開的一些實(shí)施方案中，所述高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物的功函數(shù)大小應(yīng)與其接觸的P型半導(dǎo)體CdTe的功函數(shù)相匹配，即應(yīng)等于或大于P型半導(dǎo)體CdTe的功函數(shù)，若小于CdTe的功函數(shù)，兩者的差值應(yīng)當(dāng)小于0.3eV。
[0037]在本公開的一些實(shí)施方案中，在完成金屬背電極層制備之后，對(duì)所述CMTe薄膜電池結(jié)構(gòu)的背接觸層結(jié)構(gòu)進(jìn)行真空退火處理。
[0038]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本公開作進(jìn)一步說(shuō)明，但本公開的內(nèi)容不局限于實(shí)施例所涉及的內(nèi)容。
[0039]本公開實(shí)施例中采用的樣品為CdTe太陽(yáng)能電池基本結(jié)構(gòu)中不包括背電極的部分:玻璃/透明導(dǎo)電膜/硫化鎘/碲化鎘。上述樣品經(jīng)過(guò)CdCl2氛圍下的熱處理，用去離子水沖洗干凈，并用N2吹干，然后進(jìn)行本公開提出的背接觸層的制備。下述實(shí)施例中，將只對(duì)背接觸過(guò)渡層的制備作詳述，而對(duì)制備結(jié)構(gòu)為玻璃/透明導(dǎo)電膜/硫化鎘/碲化鎘多層薄膜的活化熱處理及后續(xù)金屬電極的制備則不再詳述。
[0040]實(shí)施方案一:
[0041](I)CdTe表面的化學(xué)刻蝕
[0042]將表面清潔的玻璃/透明導(dǎo)電膜/硫化鎘/碲化鎘薄膜結(jié)構(gòu)樣品放入磷酸硝酸溶液(體積比:硝酸:磷酸:水=1: 70: 29)中刻蝕5到50秒，刻蝕完成后用去離子水將樣品表面沖洗干凈，然后用N2吹干。
[0043](2)沉積Cu金屬薄膜
[0044]將刻蝕完成的樣品放入真空室，真空度為5 X 10_6Pa，采用電子束蒸發(fā)法，在樣品表面沉積2nm厚的Cu金屬層。
[0045](3)沉積 V2O5 薄膜
[0046]將沉積完Cu薄膜的樣品放入磁控濺射儀器的真空室內(nèi)，利用4N純度的釩(V)金屬靶材進(jìn)行直流反應(yīng)濺射制備V2O5薄膜。在背底真空(5X10_3Pa)條件下，同時(shí)向系統(tǒng)內(nèi)通入氧氣和氬氣。磁控濺射氣氛為30% -40%氧分壓的氧氣和氬氣混合氣體，氧氣和氬氣的比例和總壓強(qiáng)通過(guò)氣體質(zhì)量流量計(jì)控制和調(diào)節(jié)，總壓強(qiáng)控制在0.2-0.5Pa。濺射功率與樣品面積相關(guān)。先預(yù)派射1min,然后打開遮擋樣品的擋板,生長(zhǎng)時(shí)間約為3min,制備的V2O5薄膜厚度約為15nm。
[0047]實(shí)施方案二:
[0048](I) CdTe表面的化學(xué)刻蝕
[0049]將表面清潔的玻璃/透明導(dǎo)電膜/硫化鎘/碲化鎘薄膜結(jié)構(gòu)樣品放入溴甲醇溶液(溴與甲醇的體積比為1: 1000)中刻蝕5到50秒，刻蝕完成后用去離子水將樣品表面沖洗干凈，然后用N2吹干。
[0050](2)沉積Cu金屬薄膜
[0051]將刻蝕完成的樣品放入真空室，真空度為5 X 10_6Pa，采用電子束蒸發(fā)法，在樣品表面沉積Inm厚的的Cu金屬層。
[0052](3)沉積 MoO3 薄膜
[0053]將沉積完Cu薄膜的樣品放入磁控濺射儀器的真空室內(nèi)，利用4N純度的MoO3靶材進(jìn)行射頻濺射制備MoO3薄膜。在背底真空(5X10_3Pa)條件下，同時(shí)向系統(tǒng)內(nèi)通入氧氣和IS氣。磁控派射氣氛為5% -10%氧分壓的氧氣和IS氣混合氣體,氧氣和IS氣的比例和總壓強(qiáng)通過(guò)氣體質(zhì)量流量計(jì)控制和調(diào)節(jié)，總壓強(qiáng)控制在0.2-0.5Pa。濺射功率與樣品面積相關(guān)。先預(yù)派射1min,然后打開擋板,生長(zhǎng)時(shí)間約為2min,制備的MoO3薄膜厚度約為15nm。
[0054]實(shí)施方案三:
[0055](I) CdTe表面的干法刻蝕
[0056]將表面清潔的玻璃/透明導(dǎo)電膜/硫化鎘/碲化鎘薄膜結(jié)構(gòu)樣品置于真空(5 X 10_3Pa)條件下，采用等離子束(氬離子)轟擊的方法，除去表面多余的CdCl2和熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的氧化物。該過(guò)程在0.2-0.4Pa的純氬氣氛中進(jìn)行，轟擊功率和束流與樣品面積大小相關(guān)。轟擊時(shí)間約為lOmin。
[0057](2)沉積Cu金屬薄膜
[0058]將刻蝕完成的玻璃/TCO/CdS/CdTe放入真空室，真空度為5X 10_6Pa，采用電子束蒸發(fā)法，在樣品表面沉積Inm厚的Cu金屬層。
[0059](3)沉積 V2O5 薄膜
[0060]將沉積完Cu薄膜的樣品放入熱蒸發(fā)的真空室內(nèi)，用純度為99.95%的V2O5粉末作為蒸發(fā)材料，蒸發(fā)時(shí)真空為5 X 10?,蒸發(fā)電流為80-100A，源-樣品基板之間距離為4cm，所得V2O5薄膜厚度約為15nm。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制備CdTe太陽(yáng)能電池背電極的背接觸層結(jié)構(gòu):所述背接觸層結(jié)構(gòu)依次包括: Cu金屬層，所述Cu金屬層沉積在經(jīng)過(guò)刻蝕預(yù)處理的CdTe薄膜表面； 高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物層；和 金屬背電極層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背接觸層結(jié)構(gòu)，其中所述刻蝕預(yù)處理包括化學(xué)刻蝕和干法刻蝕。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背接觸層結(jié)構(gòu)，其中所述Cu金屬層的厚度為0.3納米至10納米；和/或所述高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物的厚度為I納米至100納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背接觸層結(jié)構(gòu)，其中所述過(guò)渡金屬氧化物層為非晶態(tài)薄膜或多晶態(tài)薄膜；和/或所述過(guò)渡金屬氧化物通過(guò)物理濺射、熱蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積、溶膠-凝膠法或噴涂熱解法制備；和/或所述過(guò)渡金屬氧化物選自MoOx、WOx、VOx,N1x和TaOx，其中X表示該氧化物是化學(xué)計(jì)量比或非化學(xué)計(jì)量比的氧化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背接觸層結(jié)構(gòu)，其中所述高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物的功函數(shù)大小與其接觸的P型半導(dǎo)體CdTe的功函數(shù)的關(guān)系為:所述高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物的功函數(shù)等于或大于P型半導(dǎo)體CdTe的功函數(shù)減去0.3eV。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背接觸層結(jié)構(gòu)，其中所述金屬背電極為功函數(shù)穩(wěn)定的純金屬材料或金屬合金材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背接觸層結(jié)構(gòu)，所述背接觸層結(jié)構(gòu)在所述金屬背電極層形成之后經(jīng)歷真空退火處理。
8.—種制造背接觸層結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括在經(jīng)過(guò)刻蝕預(yù)處理的CdTe薄膜表面上依次形成: Cu金屬層； 高功函數(shù)過(guò)渡金屬氧化物層；和 金屬背電極層。
9.一種CdTe薄膜太陽(yáng)能電池，所述CdTe薄膜太陽(yáng)能電池包括根據(jù)權(quán)利要求1_8中的任一項(xiàng)所述的背接觸層結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的CdTe薄膜太陽(yáng)能電池，所述CdTe薄膜太陽(yáng)能電池包括: 透明襯底； 設(shè)置在所述透明襯底上的透明導(dǎo)電前電極； 設(shè)置在所述透明導(dǎo)電前電極上的CdS窗口層； 設(shè)置在所述CdS窗口層上的作為吸收層的CdTe薄膜； 設(shè)置在所述CdTe薄膜上的權(quán)利要求1所述的背接觸層結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01L31/0224GK104362194SQ201410740902
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】王德亮, 沈凱, 王德釗, 楊瑞龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)