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《吉林大学》 2015年 博士论文
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碲化镍薄膜的制备及其在碲化镉光电池中的应用

牟艳男  
【摘要】:自从开展太阳能电池的研究以来,降低成本和提高效率始终是太阳能电池研究的目标。目前,碲化镉(CdTe)太阳能电池被认为是最有希望的下一代高效率、低成本太阳能电池。以金属镍(Ni)箔为衬底来制备底层配置的CdTe太阳能电池可以有效地降低制备成本,并且有望实现商业化生产。 碲(Te)是一种重要的P型半导体材料,碲化镍(NiTe)是一种重要的半金属材料,而将Te转变为NiTe并将其作为背接触层的研究未见报道。本论文主要从半金属材料NiTe的合成及其在CdTe光电池中的应用方面进行研究,并得到了一系列有意义的结果。本文主要研究工作如下: (1)采用操作简单且成本低廉的电化学沉积方法以Ni箔为衬底,亚碲酸钠(Na2TeO3)的酸性水溶液为反应前驱物,由循环伏安曲线确定电沉积的电位,在-0.30V的沉积电位下沉积300s制备了类菜花状Te纳米柱阵列薄膜(以下简称Te纳米柱薄膜)。采用XRD,FESEM,TEM和SAED等测试手段对Te的结构和形貌进行表征。测试结果表明所得到的Te是具有六方结构的单晶,Te薄膜的厚度约为450nm,单根Te纳米柱的直径约为200nm,长度约为450nm。 (2)以制备的Te薄膜为Te源,Ni衬底为Ni源,采用简单的热固相反应的方法探究了不同的热处理温度对镍碲化合物(NixTe)的结构的影响,研究发现随着退火温度的升高材料的结构呈现以下规律:Te→Ni3Te2→NiTe→NiTe2/Ni2.86Te2,在350oC下保温30min成功的将Te薄膜转变为结晶性良好的六方相的NiTe薄膜。对制备的NixTe薄膜进行电学测试,结果表明所制备的NixTe薄膜可以与Ni衬底形成良好的欧姆接触,其中,Ni/NiTe的电导率最大,这表明NiTe薄膜在以Ni为衬底的柔性太阳能电池中有潜在的应用。 (3)在不同衬底温度下,用磁控溅射法在Ni衬底上制备CdTe薄膜,采用多种测试手段对制备的CdTe薄膜的晶体结构和性质进行测试,结果表明随着衬底温度由250oC升高到350oC,薄膜的形貌没有明显变化,但晶体质量明显提高。在衬底温度为450oC条件下制备得到的样品中存在NiTe相,这是因为在此温度下同时发生CdTe的升华与沉积,CdTe中的Te与Ni衬底发生了固相反应。Ni/NiTe/CdTe样品结构松散,CdTe内部存在很多孔洞和缺陷,而这些缺陷不利于光生电荷的分离和传输。为了解决上述问题,以Ni衬底上预沉积的Te薄膜作为Te源,在衬底温度为350oC的条件下获得均匀致密的Ni/NiTe/CdTe薄膜,其对可见光的吸收较强,光电测试结果说明样品Ni/NiTe/CdTe的短路电流密度为3.63mA/cm2,开路电压为390mV,其性能明显优于其它样品。 (4)在Ni/NiTe/CdTe复合薄膜上采用化学沉淀法和磁控溅射方法依次制备CdS和ITO薄膜,并组装电池。对所制备的结构为Ni/NiTe/CdTe/CdS/ITO的薄膜光电池进行光电测试,得出短路电流密度为2.91mA·cm-2,开路电压为594mV,转换效率为0.56%,与未预沉积Te薄膜即没有NiTe半金属层的光电池相比较,光电转换效率(η)提高了115%。研究结果表明NiTe作为背接触层可以显著提高CdTe光电池的光电转换效率。通过进一步优化制备过程,该结构的光电池的光电转换效率仍有很大的提升空间。


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