高转换效率CdTe薄膜太阳电池关键科学问题及电池制备

CdTe thin film solar cell is a promising low-cost second-generation solar cell. Effort is currently being made to produce CdTe solar cell in commercial large-scale. Based on the fabrication of 13.2% high efficient CdTe solar cells in our laboratory, and in order to catch up and surpass the world-record cell with an efficiency of 16.5%, we are planning to do research work on the fundamental problems related to high efficient CdTe solar cell. The proposed research plans are as in the following:1)Artificial controlling of CdTe thin film growth. We will use a hot-wire assisted close-spaced sublimation growth system to artificially control the growth of CdTe thin film .Additional Cd and Te sources will be introduced into the growth chamber to get non-equilibrium growth conditions. The concentration and formation of point defects and the crystalline growth of CdTe thin film will be systematically studied. The effect of the variation of point defects on the performance of solar cells will be studied.2）Thermal stability study of the CdS thin film. A nano-meter thick oxide film will be inserted between the CdS and the CdTe films. The formation of micro-crystalline CdS:O will stabilize the CdS and avoid excessive inter-diffusion related reaction between CdS and CdTe. The direct contact between CdTe and the front contact will be avoided.3) Fabrication of low-barrier Ohmic contact and cell stability study.WO3 has high electron work function. We will use WO3/metal composite thin film as the CdTe back contact. The high work function of WO3 will assist the hole transport to the back electrode with a low Schottky barrier.

CdTe薄膜太阳电池，是非常有前景的第二代太阳电池，其产业化正在迅速展开。申请人在获得13.2%电池转换效率基础上，为了赶超16.5%的世界最高转换效率，针对该电池存在的关键科学问题，提出如下研究方案：1）CdTe薄膜晶体制备的调控研究。采用热丝辅助的近空间升华，改变生长气氛中的Cd/Te元素比，利用非平衡生长条件，调控CdTe晶体内部点缺陷种类和浓度；研究非平衡生长条件对CdTe晶体缺陷的调控，以及对电池性能参数的提高；2）CdS热稳定性研究。在CdS和CdTe中插入纳米级厚度的氧化物薄膜，通过与 CdS相互扩散，形成含氧的CdS:O微晶，提高CdS的热稳定性；减少它与CdTe的过渡反应和由此引起的与前电极的直接接触；3）低阻背电极形成及电池稳定性研究。利用WO3/金属组合薄膜作为背电极，避开Cu在背电极中的使用，利用WO3的高功函数特性，减小肖特基势垒。

本基金面上项目【高转换效率CdTe薄膜太阳电池关键科学问题及电池制备】，在四年的执行期间，按照基金申请的研究思路和计划，主要进行了以下研究。. 1）高转换效率CdTe薄膜太阳电池的制备研究。通过改进设备和电池薄膜的制备工艺，获得了高质量的CdS和CdTe半导体薄膜。CdS薄膜只有一层单晶粒紧密排列组成，大大提高了光透过率；改进了CdS/CdTe二极管的器件质量。通过调节CdTe薄膜的生长气氛，获得了CdTe晶粒贯穿薄膜厚度的CdTe多晶薄膜。研究表明，这种薄膜的生长得益于薄膜生长表面形成的一层液态混合物，促进了相关物质的输运，形成了类似气相-液相-固相的薄膜生长机制。我们获得了AM1.5标准光照条件下转换效率为15.2%的CdTe薄膜太阳电池，电池面积为0.4×0.4 cm2；该CdTe薄膜太阳电池的转换效率目前在国内属于领先水平。2）为了制备低能垒的背电极结构，我们尝试了多种高功函数的过度金属氧化物，作为CdTe半导体薄膜和金属电极之间的接触缓冲层。系统研究了MoO3、V2O5、NiO和CuO等氧化物和CdTe的能带匹配，以及这些氧化物和CdTe界面处的缺陷能级分布。制备了不同厚度缓冲层的系列CdTe太阳电池，并制备了不同背接触结构的电池。这些系列的电池器件对比研究结果显示，使用氧化物作为缓冲层的CdTe电池器件，在保持高转换效率的同时，大大提高了电池器件的稳定性。这对CdTe薄膜太阳电池的商业化长期应用，是至关重要的。3）研究了CdTe太阳电池在强光和弱光下的器件性能。通过实验数据和理论分析，确定了强光和弱光下限制CdTe电池转换效率提升的因素。这些结论，对CdTe电池的实际应用和转换效率的进一步提高，具有很高的参考价值。. 本项目实施期间，我们共发表了标注有本基金的论文13篇，其中SCI收录论文12篇，国内核心期刊1篇（【物理】杂志），其中高影响因子论文（中国文献情报研究所划分为一区和二区的学术刊物）7篇，处于审稿阶段的论文6篇。本项目执行期间，针对高转换效率CdTe薄膜太阳电池涉及的关键材料和器件问题，我们提交了6个国家发明/新型专利，已经授权3个专利。