CdS/CdTe多晶薄膜及其化合物太陽能電池的制備與研究

【摘要】：成本低廉、轉(zhuǎn)換效率可與傳統(tǒng)硅基太陽能電池相媲美的化合物半導(dǎo)體薄膜太陽能電池的研究和制備,是當(dāng)今光伏領(lǐng)域的研究熱點。CdS/CdTe多晶薄膜太陽電池是下一代薄膜太陽能電池的重要候選者,受到人們的高度重視,發(fā)展十分迅速。 制備CdS以及CdTe薄膜的方法很多,常見制備CdS/CdTe薄膜太陽能電池的是干法和濕法相結(jié)合的制備工藝,即利用化學(xué)水浴法制備CdS窗口層,再利用濺射或蒸發(fā)等物理手段制備CdTe吸收層。本文利用全干的物理手段制備了CdS和CdTe薄膜,以及CdS/CdTe薄膜太陽能電池,成本低廉,工藝簡單,無污染,有利于實現(xiàn)生產(chǎn)流水線作業(yè)。 本文首先介紹了利用電子束蒸發(fā)制備CdS多晶薄膜的原理和過程,對不同在襯底溫度下制備的樣品,利用XRD,AFM,光學(xué)透過率譜和吸收譜等測試手段研究了CdS多晶薄膜結(jié)構(gòu)和光電性能。結(jié)果表明,CdS薄膜表面均勻、致密,均表現(xiàn)出沿(002)晶向的擇優(yōu)生長,隨著襯底溫度的升高,晶粒尺寸增大,擇優(yōu)取向增強(qiáng)。CdS薄膜的光學(xué)帶隙在2.42-2.48eV之間,薄膜中Cd含量的變化使得其光學(xué)帶隙隨著襯底溫度的升高而略微增大。另外,在P型硅襯底上淀積了厚度為150nm的CdS多晶薄膜,CdS與P型硅襯底形成的異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出良好的整流特性和光伏效應(yīng),表明其適合作為太陽能電池的窗口層。 其次,利用真空蒸發(fā)方法在不同襯底溫度和氣壓下淀積了CdS薄膜。XRD譜表明薄膜均為具有六方相結(jié)構(gòu)的多晶薄膜,并呈現(xiàn)沿(002)晶向的擇優(yōu)取向生長。升高襯底溫度,(002)晶向的衍射峰半高寬減小,表明晶粒尺寸增大。增大保護(hù)氣體壓強(qiáng)會導(dǎo)致晶粒尺寸減小,減弱薄膜的晶化程度。淀積的薄膜致密連續(xù),表面粗糙度隨襯底溫度升高而增大,隨氣壓的增加而顯著降低,并根據(jù)分子動力學(xué)理論對結(jié)果加以解釋。制備的CdS薄膜具有較高的透過率,由于薄膜中Cd、S的比例變化,其光學(xué)帶隙隨襯底溫度的升高而增大,隨氣壓的升高而減小。對薄膜進(jìn)行霍爾測試,發(fā)現(xiàn)升高襯底溫度或增大壓強(qiáng),均導(dǎo)致薄膜電阻率增大。 隨后,利用電子束蒸發(fā)方法制備了不同厚度的CdTe薄膜,并在氮?dú)鈿夥罩?、不同溫度下進(jìn)行退火處理。對薄膜的表征結(jié)果表明,制備的CdTe薄膜均為具有立方相的多晶薄膜,并呈現(xiàn)沿(111)晶向的高度擇優(yōu)取向生長。升高退火溫度,促進(jìn)了薄膜晶化,晶粒尺寸增大。(111)晶向的衍射峰與對應(yīng)于其他晶向衍射峰的強(qiáng)度比值隨退火溫度的升高而大幅降低,表明退火處理使得其他晶向的晶粒通過吞并(111)晶向的晶粒而生長。AFM圖像表明,經(jīng)400℃退火處理后,顆粒尺寸增大約一個數(shù)量級,同時薄膜仍保持較高的平整度。CdTe薄膜樣品的吸收邊隨厚度的增加而趨于陡直,并向長波長方向移動,薄膜的光學(xué)帶隙隨厚度增加而略微減小。通過對薄膜折射率的計算,發(fā)現(xiàn)經(jīng)300℃退火處理的樣品致密程度最高,導(dǎo)致其透射率最低。 最后,利用電子束蒸發(fā)和真空蒸發(fā)工藝制備了CdS/CdTe薄膜太陽能電池。其中采用電子束蒸發(fā)方法單腔制備完整電池結(jié)構(gòu)為首次報道。研究了不同結(jié)構(gòu)和不同工藝制備的電池性能差異,分析兩者對電池性能的影響。結(jié)果表明,背接觸過渡層材料CuxTe可以有效降低CdTe層與金屬背電極的接觸電阻,使得電池短路電流增大近一倍,從而提高了轉(zhuǎn)換效率。電子束蒸發(fā)制備的薄膜電池雖電阻較大從而導(dǎo)致短路電流較小,但在無光照時表現(xiàn)出更好的整流特性,光照時產(chǎn)生的開路電壓大于500mV,轉(zhuǎn)換效率達(dá)1.73%。 【關(guān)鍵詞】：硫化鎘 碲化鎘 多晶薄膜 電子束蒸發(fā) 真空蒸發(fā) 太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-22
• 1.1 引言11-12
• 1.2 太陽能電池分類12-13
• 1.3 薄膜太陽能電池簡介13-16
• 1.3.1 非晶硅和多晶硅薄膜電池13-14
• 1.3.2 銅銦鎵硒薄膜電池14-15
• 1.3.3 碲化鎘薄膜電池15-16
• 1.4 太陽能電池的基本工作原理16-17
• 1.5 太陽能電池的主要參數(shù)17-18
• 1.6 本文工作的主要內(nèi)容18-20
• 參考文獻(xiàn)20-22
• 第二章 CdS多晶薄膜的制備與表征22-40
• 2.1 引言22
• 2.2 實驗22-25
• 2.2.1 電子束蒸發(fā)法22-23
• 2.2.2 真空蒸發(fā)法23-24
• 2.2.3 測試24-25
• 2.3 結(jié)果與討論25-37
• 2.3.1 電子束蒸發(fā)法制備的CdS薄膜特性25-31
• 2.3.1.1 結(jié)構(gòu)特性25-26
• 2.3.1.2 表面形貌26-28
• 2.3.1.3 光學(xué)特性28-30
• 2.3.1.4 電學(xué)特性30-31
• 2.3.2 真空蒸發(fā)法制備的CdS薄膜特性31-37
• 2.3.2.1 結(jié)構(gòu)特性31-32
• 2.3.2.2 表面形貌32-35
• 2.3.2.3 光學(xué)帶隙35-36
• 2.3.2.4 電學(xué)特性36-37
• 2.4 本章小結(jié)37-38
• 參考文獻(xiàn)38-40
• 第三章 電子束蒸發(fā)制備CdTe多晶薄膜40-55
• 3.1 引言40
• 3.2 實驗40-41
• 3.3 結(jié)果與討論41-52
• 3.3.1 結(jié)構(gòu)表征41-44
• 3.3.2 表面形貌44-45
• 3.3.3 光學(xué)性質(zhì)45-52
• 3.4 本章小結(jié)52-53
• 參考文獻(xiàn)53-55
• 第四章 CdS/CdTe薄膜電池的制備與性質(zhì)55-62
• 4.1 引言55
• 4.2 實驗55-56
• 4.3 結(jié)果與討論56-59
• 4.4 本章小結(jié)59-60
• 參考文獻(xiàn)60-62
• 第五章 總結(jié)與展望62-65
• 5.1 總結(jié)62-63
• 5.2 展望63-65
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的工作65-67
• 致謝67-69

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