CdS薄膜与Cu2SCdS太阳电池

CdS薄膜与CuSCdS太阳电池2CuS/CdS是一种廉价太阳电池，它具有成本低、制备工艺十分简2单的优点。因此，在70-80年代曾引起国内外广大光伏科研者的广泛兴趣，以空前热情进行研究。在烧结体Cu2JCdS太阳电池研究的基础上，70年代开展了在多种衬底上使用直接和间接加热源的方法沉积多晶CdS薄膜。薄膜制备方法主要有喷涂法、蒸发法等。CdS薄膜结构特性CdS是非常重要的：II-W族化合物半导体材料。C北薄膜具有纤锌矿结构，是直接带隙材料，带隙较宽，为2.42eV。实验证明，由于CdS层吸收的光谱损失不仅与CdS薄膜的厚度有关，还与薄膜形成的方式有关。CdS薄膜光学性质CdS薄膜广泛应用于太阳电池窗口层，并作为n型层，与p型材料形成p-n结，从而构成太阳电池。因此它对太阳电池的特性有很大影响，特别是对电池转换效率有很大影响。一般认为，窗口层对光激发载流子是死层，其原因是，（1）CdS层高度惨杂，因此耗尽区只是CdS厚度的一小部分；（2）由于CdS层内缺陷密度较高，空穴扩散长度非常短，如果耗尽区没有电场，载流子收集无效。因此减少缺陷密度，可使扩散长度增加，能在CdS层内收集到更多的光激发载流子。CdS簿膜电学特性一般而言，本征CdS薄膜的串联电阻很高，不利于做窗口层，在300°C-350°C之间，将In扩散入CdS中，把本征CdS变成n-CdS，电导率可达1020-icm-i左右。对CdS热处理也能使电导率增加1080-icm-i的量级。在相对低温下进行热扩散，以免使膜退化。当在空气中加热到300°C时，由于氧在晶界有化学吸收，使光电导率衰减。未掺杂的CdS薄膜的电阻率高，不是由于膜的不连续引起的，很可能是由于氧气介入，氧俘获导带电子，形成化学吸附，存在晶界的多晶CdS薄膜更易吸收氧，在热退火过程中，消除氧的吸附作用，降低了电阻率，因此热处理不但有效地滤掉了薄膜内部的氧，而且有利于膜在优势晶向上长大。CdS薄膜和CuS/CdS太阳电池的制备方法21.4.1喷涂法60年代初，已有人开始采用喷涂或涂刷技术，研究CdS薄膜及CuS/CdS太阳电池。为了适应工业化生产CdS薄膜，R，R.Chamberlin2和J.F.Jorn等人发展了这种方法。用喷涂法制备CdS薄膜，其方法主要是将含有3和Cd的化合物水溶液，用喷涂设备喷涂到玻璃或具有SnO导电膜的玻璃及其它材料2的衬底上，经热分解沉积成CdS薄膜。各国不同学者采用的工艺都基于如下热分解效应：CdC1+(NH)CS+2H0—CdSl十2NHClf十C0I2 22 2 4 2热分解温度Ts〉250C。热分解温度、喷涂溶液组分，喷速以及SnO透明电极的电阻率，2窗口效应的利用等是影响电池性能的主要因素。为了制备太阳电池，在CdS膜表面喷涂转型物质，如含Cu+的氯化亚铜溶液，或采用常规浸泡工艺，使之形成一定厚度的CuS层，2并经热扩散等工艺和喷涂金属层作电极，形成太阳电池。在CuS/CdS太阳电池中，由于两种材料的亲和力失配，相差20.3eV，因此使扩散电位被限制在0.8eV,降低了太阳电池的开路电压。为此，提出了采用由CdS和ZnS制备Cdi-xZnxS来代替CdS，以改善小层的电子亲和力和降低界面态数目。由于喷涂法制备Cu2S/CdS(Cu2S/Cdi-xZnxS)薄膜太阳电池，不采用真空设备，使工艺得到简化，并为定量掺杂、控制膜厚和薄膜电阻率及重现性带来方便。1977年R.Feigllsen研制出转换效率为7.8%的Cu2SCd09Zn01S太阳电池。1.4.2蒸发法采用电子束技术蒸发CdS原料油于装料器外壳不加热，并进行水冷，因而减少了污染，获得的膜牢固、致密、纯度高、耐腐蚀性好、剩余原料组分不变，可以循环使用。因此该方法获得了广泛应用。长春应化所张瑞峰等人用电子束蒸发制备CdS薄膜，改进了电子束蒸发设备，避免了在蒸发过程中CdS粒子飞溅。采用常规氯化亚铜浸泡法形成Cu多层，从而构成CuS/CdS太阳电池，电池最佳转换效2率为6.2%。真空加热蒸发制备CdS薄膜是常采用的方法。长春应化所王福善等人用石墨作加热器，调节源上方挡板的大小和位置，获得无溅射颗粒的CdS薄膜，并用氯化亚铜水溶液浸泡形成Cu2S层，构成Cu2S/CdS太阳电池，其最高效率为7.8%。长春应化所王给祥等人，改进了蒸发工艺，对CuS层进行HCI2腐蚀，使表面形成绒面织构，所获得的CuS/CdS太阳电池最佳有效2面积转换效率为8.9%。Cu28/CdS太阳电池机理研究由于CuS/CdS薄膜太阳电池工艺不稳定，电池转换效率不高，2稳定性差，易衰降，因此阻碍了这一类型太阳电池的发展。为此许多学者对这种电池开展了深入细致的机理研究。上海能源所黄芳龙用扫描电子能谱仪测量了不同效率的薄膜CuS/CdS太阳电他的AES谱。2认为真空蒸发形成CdS膜和化学浸泡法形成Cu2s层构成的Cu2S/CdS电池为缓变结电池，高浓度CuS区厚0.05颇-0.1颇，铜过渡区厚度2为1颇，在一定的结深和过渡区范围内，电池效率与高浓度CuS层厚2度（结深）成正比，与铜过渡区厚度成反比，并计算出电他的极限效率为18%，实际工艺可能达到12.5%。黄芳龙进一步研究了扩散对CuS/CdS太阳电池效率及稳定性的影响。扩散会改变电池各元素的组2成比，导致电池效率下降，特别