能源材料ⅡⅥ族多晶薄膜太阳电池材料

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1、第十三章Ⅱ-Ⅵ族多晶薄膜太阳电池材料一、引言化合物半导体太阳能电池采用直接由原材料到太阳能电池的工艺路线，发展了薄膜太阳能技术。特点：高效率、低成本、大规模生产化。化合物半导体薄膜太阳能电池主要类型有：CdTe系太阳能电池、CuInSe2系列太阳能电池、CdS/CuInSe2太阳能电池、GaAs系列太阳能电池、InP系列太阳能电池。二、材料性质1、CdTe薄膜材料性质1）结构性质CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物，是直接带隙材料，带隙为1.45eV。光谱响应与太阳光谱十分吻合。具有闪锌矿结构。CdTe太阳电池转换

2、效率在7.7%~16.0%之间，CdTe薄膜太阳电池面积已达到6879cm2。红：640~780nm；橙：640~610nm;黄：610~530nm；绿：505~525nm；蓝：505~470nm；紫：470~380nm。2）光学性质光吸收系数大，厚度为1um的薄膜可吸收大于CdTe禁带辐射能量的99%。CdTe膜越薄，吸收系数越高，带边与膜厚度无关；薄膜的吸收系数与生长温度有关；沉积速率增加，薄膜吸收系数变化不大，且所有薄膜有相同的吸收边。3）电学性质CdTe晶体主要靠共价键结合，但有一定的离子性。C

3、dTe的结合强度很大，电子摆脱共价键所需能量更高。常温下CdTe的导电性主要由掺杂决定。用CSS（闭管升华）法制备CdTe薄膜的电性质：衬底温度升高，薄膜电阻率降低2个数量级；薄膜电阻率的最大变化由氧偏压和源-衬底间距引起。氧偏压↑，源-衬底间距↓，电阻率↓。2、CdS薄膜材料性质1）结构性质CdS薄膜具有纤锌矿结构，直接带隙材料，带隙宽为2.42eV。CdS层吸收的光谱损失与CdS薄膜的厚度和薄膜形成的方式有关。2）光学性质CdS薄膜广泛用于太阳电池窗口层，并作为n型层与p型材料形成pn结，对电池转换

4、效率有很大影响。窗口层对光激发载流子是死层。原因是：（1）CdS层高度掺杂，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，使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。3）电学性质本征CdS薄膜的串联电阻很高，不利于做窗口层。提高电导率的方法：衬底温度在300℃~350℃之间，将In扩散入CdS中，把本征CdS变成n-CdS，电导率可提高；对CdS热处理也能使电导率增加。3、CuInSe2薄膜材料性质1）结构性质CuInSe2是一种三元Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体，具有黄铜矿

5、（低温相，正方晶系）和闪锌矿（高温相、闪锌矿结构）两个同素异形的晶体结构。CuInSe2是直接带隙半导体材料，77K时的带隙为1.04eV，300K时为1.02eV。1.04eV的禁带带隙与地面光伏利用要求的最佳带隙（1.5eV）较为接近，但劣于CuInS2(Eg=1.55eV)。2)光学性质CuInSe2具有6╳105cm-1的吸收系数，是半导体材料中吸收系数较大的材料。CuInSe2的光学性质主要取决于材料各元素的组分比、各组分的均匀性、结晶程度、晶格结构及晶界的影响。材料元素的组分与化学计量比偏离

6、越小，结晶程度越好，元素组分均匀性好，温度越低，光学吸收特性越好；具有单一黄铜矿结构的CuInSe2薄膜的吸收特性好；富Cu薄膜比富In薄膜的吸收特性好，原因是前者比后者的结晶程度好；沉积衬底温度高的富Cu薄膜比沉积衬底温度低的薄膜的吸收特性要好；室温下，单晶CuInSe2的光学吸收系数比多晶薄膜的大；吸收特性随材料工作温度的下降而下降，带隙随温度的下降而稍有升高。3）电学性质CuInSe2材料的电学性质主要取决于材料各元素组分比、偏离化学计量比而引起的固有缺陷、非本征掺杂和晶界有关。材料各元素组分比接

7、近化学计量比时：当Se不足时，Se空位呈现施主；当Se过量时，呈现受主；当Cu不足时，Cu空位呈现受主；当Cu过量时，呈现施主；当In不足时，In空位呈现受主；当In过量时，呈现施主。当薄膜的组分比偏离化学计量比较大时，薄膜的导电性主要由Cu与In之比决定，一般是随着Cu/In比的增加，电阻率下降，p型导电性增强。p型导电性随着Se浓度的增加而增加。实验证明，CuInSe2薄膜的导电性与薄膜的组分有如下关系：（1）当Cu/In>1时，不论Se/(Cu+In)之比大于还是小于1，薄膜的导电类型都为p型，而

8、且具有低的电阻率。（2）当Cu/In<1时，若Se/(Cu+In)>1，薄膜为p型，具有中等的电阻率；或薄膜为n型，具有高的电阻率。若Se/(Cu+In)<1，薄膜为p型，具有高的电阻率，或薄膜为n型，具有低的电阻率。三、太阳电池的结构及工作原理1、CdTe/CdS太阳电池以CdTe作吸收层、CdS作窗口层的n-CdS/p-CdTe半导体异质结电池的典型结构为：减反射膜（MgF2）/玻璃/（SnO2,F）/CdS/p-CdTe/背电极。Cd