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《吉林大学》 2014年
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电化学沉积法制备CdTe/CdS薄膜太阳能电池及性能研究

李倩  
【摘要】:能源是当今社会发展水平的标志,而太阳能来源无穷无尽,具有稳定性和很高的安全保障性,比其他可再生能源在技术方面有更大的潜力,充分说明太阳能是未来能源的主力之一。而太阳能利用中,除了光热利用外,最主要思路是光伏发电,通过P-型和N-型半导体材料的复合,在其界面上形成P-N结,促使光生电子-空穴对有效分离,因此,不同性质的半导体材料得到了各个科研小组的广泛研究。 碲化镉(CdTe)是一种P型半导体材料,室温下禁带宽度为1.45eV,属直接跃迁型能带结构,很接近太阳能电池需要的最优能隙,吸收系数大,可以有效吸收可见光能量,具有很高的理论转换效率(28%),因此成为制备高效率,低成本的多晶薄膜太阳能电池的理想的吸收层材料。硫化镉(CdS)是一种非常重要的直接带隙太阳电池材料。CdS薄膜带隙较宽,为2.42eV,吸收系数较高,为104~105cm-1,它的电子亲和势为4.5eV,和二氧化锡(SnO2)接近,能和SnO2形成良好的欧姆接触。CdS多晶薄膜在异质结太阳电池中是一种很重要的n型窗口材料。CdTe薄膜太阳电池通常以碲化镉/硫化镉(CdTe/CdS)异质结为基础,尽管CdS和CdTe晶格常数相差约10%,但它们组成的异质结电学性能优良。CdTe/CdS薄膜太阳能电池是薄膜太阳能电池中发展较快的一种光伏器件,相比于硅太阳能电池,CdTe/CdS薄膜太阳能电池有着很大的挖掘潜力,并且其制造成本显著降低。 以往的CdTe太阳电池的制作方法主要有磁控溅射、近程蒸发、热蒸发、化学沉积等,鉴于改善CdTe薄膜太阳能电池的性能和有效降低CdTe薄膜太阳能电池的工艺成本,以利于实现低成本规模化生产,这需要进行CdTe太阳能电池的新型结构设计和新的制备方法研究。 电沉积方法操作简单,成本低廉,容易控制,十分适合于大面积、成膜均匀致密的半导体薄膜材料的制备,易于实现大规模生产。本文中,我们以镍片为基底,采用电化学沉积方法在其表面制备CdTe薄膜,研究了不同电沉积条件对CdTe薄膜形貌及性能的影响,接着采用电化学沉积法在其表面生长CdS薄膜,最后组装成整体的CdTe/CdS复合薄膜光电池模块,对其性能进行了研究。主要工作如下: (1)以镍片为基底,采用硫酸镉、亚碲酸钠的酸性溶液体系合成了不同形貌的CdTe薄膜,在-0.50V沉积电位下在镍片上沉积制备出了均匀、致密、结晶性好的CdTe纳米棒阵列。在-0.75V沉积电位下制备了菜花状CdTe阵列薄膜。所制备的CdTe均为闪锌矿结构,沿[111]方向择优生长,两种形貌薄膜所构成的光电化学电池的光电转换效率分别为0.32%及0.61%。同时发现改变沉积电位能够调整CdTe化合物的元素比例及在一定范围内调节所沉积CdTe的带隙。在电解液中加入适量的阳离子表面活性剂CTAB可以制备出整体质地致密、平整的闪锌矿型CdTe薄膜。发现CTAB在电沉积过程中对CdTe薄膜的元素比例调控起到很重要的作用,并分析了其作用机理。 (2)首次采用电化学沉积法,以硫酸镉、硫代硫酸钠与柠檬酸的电解液体系在所得CdTe薄膜的表面沉积生长了CdS薄膜。并对各种反应条件对薄膜的元素比例、形貌特征、晶体结构与取向、晶体质量等的影响进行了研究。发现电解液中柠檬酸的存在有利于获得平整致密的CdS层,通过改变沉积电位可以调节所沉积CdS薄膜的元素组分,对于获得n-CdS薄膜的最佳沉积电位为-0.9V。所得CdS薄膜为纤锌矿结构,都具有[002]的择优取向,且[002]方向延薄膜法线方向。 (3)制备了镍箔/Ni2.86Te2/p-CdTe/n-CdS/CdS:In/ITO结构的CdTe/CdS薄膜太阳能电池模块。我们将在空气中CdCl2热处理与热蒸发沉积生长SnO2透明导电薄膜同时进行,发现电池模块的效率随着热处理温度的提高而提升,综合最优的热处理温度为450℃。所得电池效率为3.0%。通过热蒸发氯化亚锡和氯化铟混合物,在CdS表面沉积生长出了In掺杂SnO2透明导电薄膜。所得电池模块的光电效率达到5.05%,显著高于SnO2透明导电薄膜的情况。其原因在于In的掺杂形成了SnO2:In,提高了薄膜的电导率,同时In掺杂到CdS中形成了低阻CdS:In层,从而提高了对分离电荷的收集效率。 本文提出的镍箔/Ni2.86Te2/p-CdTe/n-CdS/CdS:In/ITO结构CdTe/CdS太阳能电池,是一种新颖的和制备方法简捷的太阳能电池。通过进一步优化制备参量尚有很大的效率提升空间。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TM914.42

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