一种碲化镉薄膜电池及制备方法发明专利

一种碲化镉薄膜电池及制备方法

摘要：本发明公开一种碲化镉薄膜电池及制备方法，所述碲化镉薄膜电池由下至上依次包括衬底层、透明导电层、窗口层、光吸收层、背接触层、背电极层，所述窗口层的材料为硫化镉薄膜，所述光吸收层的材料为碲化镉薄膜，所述背接触层的材料为氮化铜薄膜，背电极层的材料为镍钒合金。本申请的技术方案可以克服传统碲化镉电池铜掺杂过程铜元素扩散造成的衰减降低及生产成本高的问题，具有抗水汽作用，所述背接触结构能降低与碲化镉的接触势垒，形成欧姆接触，从而提高碲化镉薄膜电池的性能。

专利类型：发明专利

专利申请号：CN108878551B

专利申请（专利权）人：成都中建材光电材料有限公司
权利人地址：四川省成都市双流区西航港街道空港二路558号

专利发明（设计）人：彭寿,马立云,潘锦功,殷新建,蒋猛,钱双

主权利要求:一种碲化镉薄膜电池及制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种碲化镉薄膜电池及制备方法。
背景技术
[0002] 碲化镉(CdTe)薄膜电池是以CdTe为吸收层的一种化合物半导体薄膜电池，具有很高的光吸收系数，因其转化效率高、成本低廉的特点，受到很多研究构和公司的关注，目前2
该电池的最高转化效率已经超过了22％，大面积组件(1.2×0.6m)的转化效率达18.6％。
CdTe薄膜太阳能电池的典型基本结构为：导电玻璃层/CdS窗口层/CdTe吸收层/背接触‑背电极层/封装材料/背板玻璃。CdTe吸收层使用的p型CdTe的电子亲和势～4.3eV，禁带宽度～1.5eV，功函数高达5.8eV，由于p型CdTe具有较高的功函数，高于大多数金属材料的功函数，很难使其与金属背电极之间形成稳定的欧姆接触。如果将金属材料直接与CdTe薄膜表面接触作为背电极，则会形成一个与PN结方向相反的接触势垒，阻碍光生载流子的传输，降低电池性能。

[0003] 现有技术通常采用对碲化镉进行p型重掺杂和在CdTe和背电极之间引入半导体背接触层的方案来降低接触势垒。p型重掺杂的技术方法主要是在碲化镉背部进行铜扩散掺杂，主要的制备方法有湿化学法、蒸镀等。铜元素是目前发现对碲化镉掺杂效果最好的元素，可以很有效的提高电池的性能，但是由于铜在碲化镉中的扩散较快，当铜在碲化镉和硫化界面出现富集时，会形成大量缺陷能级，很容易造成电池的衰减。背接触层的技术方案通常采用在CdTe和背电极之间引入半导体背接触层，来减小接触势垒对空穴传输的阻碍。主要有使用磁控溅射制备碲化锌(ZnTe)、碲化汞(HgTe)、碲化锑(Sb2Te3)等半导体材料。这些材料多为化合物半导体材料，价格较为昂贵，控制困难，工艺步骤繁杂，且不耐水汽，使得碲化镉薄膜电池的不仅成本较高，且转化效率不高。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本申请提供一种具有背接触层结构的碲化镉电池及制备方法，解决了半导体与金属直接接触接触势垒高、铜掺杂过程扩散引起的电池衰减、背接触材料制备成本高、电池不耐水汽的技术问题。
[0005] 为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种碲化镉薄膜电池，所述碲化镉薄膜电池由下至上依次包括衬底层、透明导电层、窗口层、光吸收层、背接触层、背电极层，所述窗口层的材料为硫化镉薄膜，所述光吸收层的材料为碲化镉薄膜，所述背接触层的材料为氮化铜薄膜，背电极层的材料为镍钒合金。
[0006] 优选的，所述透明导电层的材料为选自FTO透明导电膜、ITO透明导电膜或AZO透明导电膜中的任意一种。
[0007] 优选的，所述光吸收层的厚度为2‑4μm。
[0008] 优选的，所述背接触层的厚度为5‑50nm。
[0009] 优选的，所述镍钒合金中镍：钒的摩尔比为1∶5‑5∶1。
[0010] 优选的，所述背电极层的厚度为300‑500nm。
[0011] 优选的，所述的碲化镉薄膜电池还包括封装材料层和背板层，所述封装材料层和所述背板层依次设置于所述背电极层上。
[0012] 本发明还提供了一种所述的碲化镉薄膜电池的制备方法，包括以下步骤：
[0013] (1)提供衬底层，在所述衬底层上沉积透明导电膜，得透明导电层；
[0014] (2)在所述透明导电层上沉积硫化镉，得窗口层；
[0015] (3)在所述窗口层上沉积碲化镉，得光吸收层；
[0016] (4)在所述光吸收层上磁控溅射氮化铜，得背接触层；
[0017] (5)在所述背接触层上磁控溅射镍钒合金，得背电极层；
[0018] (6)对所述背接触层和所述背电极层进行退火处理。
[0019] 优选的，所述退火处理的温度为150‑250℃，所述退火处理的时间为10‑30min。
[0020] 优选的，所述制备方法还包括进行封装。
[0021] 本申请与现有技术相比，其详细说明如下：
[0022] 本申请提供了一种具有背接触结构的碲化镉薄膜电池，所述背接触结构能降低与碲化镉的接触势垒，形成欧姆接触，从而提高碲化镉薄膜电池的性能。
[0023] 氮化铜不仅可以实现掺铜的效果，而且可以克服传统碲化镉电池铜掺杂过程铜元素扩散造成的衰减降低，而且氮化铜相比于碲化锌、碲化汞、碲化锑等半导体材料价格更便宜，生产成本更低，适用于大规模的量产。
[0024] 金属氮化物具有功函数可调，电子传输速度快等优点，但是在没有铜参与的情况下，转化效率很难进一步提升。本发明选用特定的氮化物——氮化铜作为背接触层，比其他氮化物转化性能更高，氮化铜可以与碲化镉光吸收层形成良好的欧姆接触，降低界面损失，提高界面电流的收集与传输效率。
[0025] Ni‑V作为一种具有高功函数且耐腐蚀的金属材料，既可以降低其与碲化镉半导体之间的接触电阻，又可以对碲化镉电池进行保护，提高背电极的耐水汽能力，制备方法可以使用磁控溅射，明显优于单质Ni。
附图说明
[0026] 图1为本发明提供的一种碲化镉薄膜电池示意图。
[0027] 图2为本发明提供的碲化镉薄膜电池稳定性测试图。
[0028] 其中，1‑衬底层；2‑透明导电层；3‑窗口层；4‑光吸收层；5‑背接触层；6‑背电极层；7‑封装材料层；8‑背板层。

具体实施方式
[0029] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030] 本发明提供了一种碲化镉薄膜电池，碲化镉薄膜电池由下至上依次包括衬底层1、透明导电层2、窗口层3、光吸收层4、背接触层5、背电极层6，封装材料层7和背板层8；所述窗口层3的材料为硫化镉薄膜，所述光吸收层4的材料为碲化镉薄膜，所述背接触层5的材料为氮化铜薄膜，所述背电极层6的材料为镍钒合金。
[0031] 所述衬底层的材料为钠钙玻璃。
[0032] 所述透明导电层的材料为选自FTO透明导电膜、ITO透明导电膜或AZO透明导电膜中的任意一种。
[0033] 所述窗口层的厚度为10nm‑200nm，在本发明的实施例中，所述窗口层的厚度优选为100nm。所述光吸收层的厚度为2‑4μm。
[0034] 所述背接触层的厚度为5‑50nm，本申请使用氮化铜薄膜作为背接触层，不仅可以实现掺铜的效果，且可以避免传统碲化镉吸光层铜掺杂过程中出现的铜的扩散过程。氮化铜背接触层可以碲化镉光吸收层形成欧姆接触，比传统的氮化物的转化效率更高。
[0035] 所述镍钒合金中镍：钒的摩尔比为1∶5‑5∶1，所述背电极层的厚度为300‑500nm，镍钒合金具有优异的抗水汽作用。
[0036] 所述封装材料层7的材料为POE胶膜。
[0037] 所述背板层8的材料为钠钙玻璃。
[0038] 上述碲化镉薄膜电池的制备方法，包括以下步骤：
[0039] (1)提供衬底层，在所述衬底层上采用APCVD法沉积透明导电膜，得透明导电层；
[0040] (2)在所述透明导电层上采用磁控溅射法沉积硫化镉，得窗口层；
[0041] (3)在所述窗口层上采用近空间升华法沉积碲化镉，沉积温度为500℃，得光吸收层；
[0042] (4)在Ar和N2混合气体的环境下，在所述光吸收层上磁控溅射沉积氮化铜，得背接触层；
[0043] (5)在纯Ar环境下，在所述背接触层上磁控溅射镍钒合金(NiV)，得背电极层；
[0044] (6)对所述背接触层和所述背电极层进行退火处理，所述退火处理的温度为150‑250℃，所述退火处理的时间为10‑30min；

[0045] (7)采用POE胶膜和钠钙玻璃进行封装。
[0046] 实施例1
[0047] 如图1所示，一种碲化镉薄膜电池，碲化镉薄膜电池由下至上依次包括衬底层1、透明导电层2、窗口层3、光吸收层4、背接触层5、背电极层6，封装材料层7和背板层8；所述窗口层3的材料为硫化镉薄膜，所述光吸收层4的材料为碲化镉薄膜，所述背接触层5的材料为氮化铜薄膜，背电极层6的材料为镍钒合金。
[0048] 所述衬底层的材料为钠钙玻璃；
[0049] 所述透明导电层的材料为选自FTO透明导电膜；
[0050] 所述窗口层的厚度为100nm；
[0051] 所述光吸收层的厚度为3μm；
[0052] 所述背接触层的厚度为5nm；
[0053] 所述镍钒合金中镍：钒的摩尔比为1∶5；
[0054] 所述背电极层的厚度为300nm；
[0055] 所述封装材料层7的材料为POE胶膜；
[0056] 所述背板层8的材料为钠钙玻璃。
[0057] 上述碲化镉薄膜电池的制备方法，包括以下步骤：
[0058] (1)提供钠钙玻璃作为玻璃衬底层，在所述玻璃衬底层上采用APCVD沉积FTO透明导电膜，得透明导电层；
[0059] (2)在所述透明导电层上采用磁控溅射法沉积硫化镉，得窗口层；
[0060] (3)在所述窗口层上采用近空间升华法沉积碲化镉，沉积温度为500℃，得光吸收层；
[0061] (4)在Ar和N2混合气体的环境下，在所述光吸收层上磁控溅射氮化铜，得背接触层；
[0062] (5)在纯Ar环境下，在所述背接触层上磁控溅射镍钒合金，得背电极层；
[0063] (6)对所述背接触层和所述背电极层进行退火处理，所述退火处理的温度为150℃，所述退火处理的时间为10min；
[0064] (7)采用POE胶膜和钠钙玻璃进行封装。
[0065] 实施例2
[0066] 一种碲化镉薄膜电池，碲化镉薄膜电池由下至上依次包括衬底层1、透明导电层2、窗口层3、光吸收层4、背接触层5、背电极层6，封装材料层7和背板层8；所述窗口层3的材料为硫化镉薄膜，所述光吸收层4的材料为碲化镉薄膜，所述背接触层5的材料为氮化铜薄膜，背电极层6的材料为镍钒合金。
[0067] 所述衬底层的材料为钠钙玻璃；
[0068] 所述透明导电层的材料为选自FTO透明导电膜；
[0069] 所述窗口层的厚度为100nm；
[0070] 所述光吸收层的厚度为4μm。
[0071] 所述背接触层的厚度为8nm；
[0072] 所述镍钒合金中镍：钒的摩尔比为5∶1；
[0073] 所述背电极层的厚度为500nm；
[0074] 所述封装材料层7的材料为POE胶膜；
[0075] 所述背板层8的材料为钠钙玻璃；
[0076] 上述碲化镉薄膜电池的制备方法，包括以下步骤：
[0077] (1)提供钠钙玻璃作为玻璃衬底层，在所述玻璃衬底层上采用APCVD沉积FTO透明导电膜，得透明导电层；
[0078] (2)在所述透明导电层上采用磁控溅射法沉积硫化镉，得窗口层；
[0079] (3)在所述窗口层上采用近空间升华法沉积碲化镉，沉积温度为500℃，得光吸收层；
[0080] (4)在Ar和N2混合气体的环境下，在所述光吸收层上磁控溅射氮化铜，得背接触层；
[0081] (5)在纯Ar环境下，在所述背接触层上磁控溅射镍钒合金，得背电极层；
[0082] (6)对所述背接触层和所述背电极层进行退火处理，所述退火处理的温度为250℃，所述退火处理的时间为30min；
[0083] (7)采用POE胶膜和钠钙玻璃进行封装。
[0084] 实施例3
[0085] 一种碲化镉薄膜电池，碲化镉薄膜电池由下至上依次包括衬底层1、透明导电层2、窗口层3、光吸收层4、背接触层5、背电极层6，封装材料层7和背板层8；所述窗口层3的材料为硫化镉薄膜，所述光吸收层4的材料为碲化镉薄膜，所述背接触层5的材料为氮化铜薄膜，背电极层6的材料为镍钒合金。
[0086] 所述衬底层的材料为钠钙玻璃；
[0087] 所述透明导电层的材料为选自FTO透明导电膜；
[0088] 所述窗口层的厚度为100nm；
[0089] 所述光吸收层的厚度为2μm。
[0090] 所述背接触层的厚度为10nm。
[0091] 所述镍钒合金中镍：钒的摩尔比为1∶1。
[0092] 所述背电极层的厚度为500nm。
[0093] 所述封装材料层7的材料为POE胶膜。
[0094] 所述背板层8的材料为钠钙玻璃。
[0095] 上述碲化镉薄膜电池的制备方法，包括以下步骤：
[0096] (1)提供钠钙玻璃作为玻璃衬底层，在所述玻璃衬底层上采用APCVD沉积FTO透明导电膜，得透明导电层；
[0097] (2)在所述透明导电层上采用磁控溅射法沉积硫化镉，得窗口层；
[0098] (3)在所述窗口层上采用近空间升华法沉积碲化镉，沉积温度为500℃，得光吸收层；
[0099] (4)在Ar和N2混合气体的环境下，在所述光吸收层上磁控溅射氮化铜，得背接触层；
[0100] (5)在纯Ar环境下，在所述背接触层上磁控溅射镍钒合金，得背电极层；
[0101] (6)对所述背接触层和所述背电极层进行退火处理，所述退火处理的温度为200℃，所述退火处理的时间为20min；
[0102] (7)采用POE胶膜和钠钙玻璃进行封装。
[0103] 对照例1
[0104] 一种碲化镉薄膜电池，碲化镉薄膜电池由下至上依次包括衬底层、透明导电层、窗口层、光吸收层、背电极层、封装材料层和背板层；所述窗口层的材料为硫化镉薄膜，所述光吸收层的材料为碲化镉薄膜，背电极层的材料为镍钒合金。
[0105] 所述衬底层的材料为钠钙玻璃；
[0106] 所述透明导电层的材料为选自FTO透明导电膜；
[0107] 所述窗口层的厚度为100nm；
[0108] 所述光吸收层的厚度为3μm；
[0109] 所述镍钒合金中镍：钒的摩尔比为1∶5；
[0110] 所述背电极层的厚度为300nm；
[0111] 所述封装材料层的材料为POE胶膜；
[0112] 所述背板层的材料为钠钙玻璃。
[0113] 上述碲化镉薄膜电池的制备方法，包括以下步骤：
[0114] (1)提供钠钙玻璃作为玻璃衬底层，在所述玻璃衬底层上采用APCVD沉积FTO透明导电膜，得透明导电层；
[0115] (2)在所述透明导电层上采用磁控溅射法沉积硫化镉，得窗口层；
[0116] (3)在所述窗口层上采用近空间升华法沉积碲化镉，沉积温度为500℃，得光吸收层；
[0117] (4)在纯Ar环境下，在所述光吸收层上磁控溅射镍钒合金，得背电极层；
[0118] (5)对所述背电极层进行退火处理，所述退火处理的温度为150℃，所述退火处理的时间为10min；
[0119] (6)采用POE胶膜和钠钙玻璃进行封装。
[0120] 对照例2
[0121] 一种碲化镉薄膜电池，碲化镉薄膜电池由下至上依次包括衬底层、透明导电层、窗口层、光吸收层、背接触层、背电极层，封装材料层和背板层；所述窗口层的材料为硫化镉薄膜，所述光吸收层的材料为碲化镉薄膜，所述背接触层的材料为氮化钼薄膜，背电极层的材料为镍钒合金。
[0122] 所述衬底层的材料为钠钙玻璃；
[0123] 所述透明导电层的材料为选自FTO透明导电膜；
[0124] 所述窗口层的厚度为100nm；
[0125] 所述光吸收层的厚度为3μm；
[0126] 所述背接触层的厚度为30nm；
[0127] 所述镍钒合金中镍：钒的摩尔比为1∶5；
[0128] 所述背电极层的厚度为300nm；
[0129] 所述封装材料层的材料为POE胶膜；
[0130] 所述背板层的材料为钠钙玻璃。
[0131] 上述碲化镉薄膜电池的制备方法，包括以下步骤：
[0132] (1)提供钠钙玻璃作为玻璃衬底层，在所述玻璃衬底层上采用APCVD沉积FTO透明导电膜，得透明导电层；
[0133] (2)在所述透明导电层上采用磁控溅射法沉积硫化镉，得窗口层；
[0134] (3)在所述窗口层上采用近空间升华法沉积碲化镉，沉积温度为500℃，得光吸收层；
[0135] (4)在Ar和N2混合气体的环境下，在所述光吸收层上磁控溅射氮化钼，得背接触层；
[0136] (5)在纯Ar环境下，在所述背接触层上磁控溅射镍钒合金，得背电极层；
[0137] (6)对所述背接触层和所述背电极层进行退火处理，所述退火处理的温度为150℃，所述退火处理的时间为10min；
[0138] (7)采用POE胶膜和钠钙玻璃进行封装。
[0139] 对照例3
[0140] 一种碲化镉薄膜电池，碲化镉薄膜电池由下至上依次包括衬底层、透明导电层、窗口层、光吸收层、背接触层、背电极层，封装材料层和背板层；所述窗口层的材料为硫化镉薄膜，所述光吸收层的材料为碲化镉薄膜，所述背接触层的材料为氮化铜薄膜，背电极层的材料为镍薄膜。
[0141] 所述衬底层的材料为钠钙玻璃；
[0142] 所述透明导电层的材料为选自FTO透明导电膜；
[0143] 所述窗口层的厚度为100nm；
[0144] 所述光吸收层的厚度为3μm；
[0145] 所述背接触层的厚度为5nm；
[0146] 所述背电极层的厚度为300nm；
[0147] 所述封装材料层的材料为POE胶膜；
[0148] 所述背板层的材料为钠钙玻璃。
[0149] 上述碲化镉薄膜电池的制备方法，包括以下步骤：
[0150] (1)提供钠钙玻璃作为玻璃衬底层，在所述玻璃衬底层上采用APCVD沉积FTO透明导电膜，得透明导电层；
[0151] (2)在所述透明导电层上采用磁控溅射法沉积硫化镉，得窗口层；
[0152] (3)在所述窗口层上采用近空间升华法沉积碲化镉，沉积温度为500℃，得光吸收层；
[0153] (4)在Ar和N2混合气体的环境下，在所述光吸收层上磁控溅射氮化铜，得背接触层；
[0154] (5)在纯Ar环境下，在所述背接触层上磁控溅射镍薄膜，得背电极层；
[0155] (6)对所述背接触层和所述背电极层进行退火处理，所述退火处理的温度为150℃，所述退火处理的时间为10min；
[0156] (7)采用POE胶膜和钠钙玻璃进行封装。
[0157] 实施例5
[0158] 背接触层对碲化镉薄膜电池的性能影响
[0159] 实验样品：实施例1‑3得到的含有氮化铜背接触层结构的碲化镉薄膜电池样品，对照例1得到的不含背接触层的碲化镉薄膜电池样品，对照例2得到的含有氮化钼背接触层结构的碲化镉薄膜电池样品，对照例3得到的含有镍背电极层的碲化镉薄膜电池样品。
[0160] 实验方法：采用GB/T6495.1‑1996中所述方法进行性能测试。
[0161] 实验结果：见表1‑背接触层对碲化镉薄膜电池的性能影响。
[0162] 表1背接触层对碲化镉薄膜电池的性能影响
[0163]
[0164]
[0165] 由表1可以看出，本申请具有含有氮化铜背接触层结构的碲化镉薄膜电池样品具有全面提升的转换效率、开路电压，短路电流，填充因子，显著优于不具有背接触结构的太阳电池的性能，本申请的氮化铜背接触层和镍钒合金背电极层结构的电池较对照例2中氮化钼背接触层和镍钒合金背电极层的碲化镉薄膜电池性能更佳。可见，本申请的背接触层与碲化镉吸光层形成欧姆接触，克服了碲化镉与金属直接接触形成的接触势垒，且本申请的氮化铜背接触层与镍钒背电极层协同作用，显著提高了碲化镉薄膜电池的性能。
[0166] 实施例6
[0167] 将实施例1和对照例3得到的样品存放在温度85℃，相对湿度85％条件下的实验箱内，对样品进行加速老化，然后在AM1.5，温度25℃，相对湿度65％条件下测试其转化效率，对比实施例1和对照例3得到的碲化镉薄膜电池稳定性能。测试结果如图2所示，其中，PCE/PCE0‑测试时间下的光电转换效率与起始光电转换效率之比；T‑测试时间，单位为小时(h)。
[0168] 由图2可知，本申请的碲化镉薄膜电池具有良好的稳定性，且本申请的镍钒合金具有更好的耐水汽作用。在1000小时内，本申请的转换效率保持率为初始值的97％，对照例3为95％。3500小时后，本申请的转换效率仍保持率在90％以上，对比例3为88％。
[0169] 以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

专利地区：四川

专利申请日期：2018-06-25

专利公开日期：2022-01-21

专利公告号：CN108878551B