一种柔性CdTe薄膜太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术的一种柔性CdTe薄膜太阳能电池及其制备方法，属于太阳电池技术领域。电池结构顺序为金属背电极（1）、半金属层（2）、p型CdTe层（3）、n型CdS层（4）、透明导电薄膜（5）、金属栅格电极（6）和低阻CdS:In层7。用电化学沉积来制备CdTe太阳能电池，通过选择沉积电位和后续的热蒸发沉积透明导电层，在镍箔基底上分别制得欧姆结特性的半金属层、梯度富碲的p型CdTe层、n型CdS层和铟掺杂的氧化锡透明导电层，用离子溅射方法在透明导电层表面制备出金属栅格电极。本发明专利技术原材料易得，工艺简单，容易操作，耗时短，成本低廉，电池模块稳定光电转换效率高，适合制作大面积的CdTe柔性太阳能电池。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新能源的
，尤其涉及一种太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着世界经济的发展和人口的增长，传统的化石能源已接近枯竭，并且传统化石能源的消耗已对人类健康和人居环境造成了巨大威胁，因此人类社会对清洁能源的需要越来越强烈。太阳能是一种清洁、无污染、取之不尽、用之不竭的可再生能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的清洁能源利用途径之一。为此，人们已研制和开发了多种太阳能电池，如硅基（包括单晶硅、多晶硅和非晶硅）太阳能电池、化合物（包括III-V族、II-VI族和I-III-V族）太阳能电池、以及包含有化学反应的光电化学太阳能电池等等。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是，利用光电材料吸收光能后发生光电转换效应。以光伏效应为基础的太阳能电池就是将太阳能转换为电能，有效利用太阳能的一种重要、实用的技术，因此受到广泛的关注。基于半导体p-n结型太阳能电池的工作原理是，太阳光照到由n型半导体和p型半导体结合而成的光电器件上，并在半导体内部形成光生电子-空穴对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由n区流向p区，接通外电路后就形成电流。太阳能电池种类很多。目前，技术最成熟的是单晶硅太阳能电池，电池转换效率超过23%，大面积单晶硅太阳能电池转换效率可达到19.4%。太阳能电池要想大规模的应用，不仅需要提高光电转换效率和效益寿命，而且还需要降低生成成本，使得更多的人能用得起。硅材料的成本占单晶硅电池总成本的70%，由于受单晶硅材料价格及相应复杂的电池生成工艺的影响，致使单晶硅电池生产成本居高不下。这决定了大幅度降低单晶硅太阳能电池的成本是十分困难的。适当降低对光电转换效率的要求，采用较为廉价的半导体材料和简捷的生产工艺，从而显著降低生产成本，这对于太阳能电池的广泛应用具有十分重要的意义。目前已发展出了多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、碲化镉（CdTe）薄膜电池、铜铟镓硒（CuInGaSe）太阳能电池等。其中，CdTe薄膜电池因其原材料价格低廉且制备工艺相对简单而被认为是很有市场竞争力的新型薄膜太阳能电池。柔性太阳能电池是一种在一定程度上可弯曲的太阳能电池，具有抗震性好、携带方便和能够缝制在非刚性的基质上（如背包、衣服等）的优点，可广泛地用于移动通讯、野外机动用电器等领域。以往的柔性太阳能电池主要是有机太阳能电池，如染料敏化太阳能电池。CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，在Te过量时为p型半导体，带隙1.5eV，与太阳光谱非常匹配，非常适合于光电能量转换，且吸收系数大于5×105/cm。因此，只需要约1μm的厚度就可以吸收99%以上的可见光（波长小于826nm），具有很高的理论效率（28%），性能很稳定，而且CdTe容易沉积成大面积的薄膜，沉积速率较高。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光电性能优良。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，美国第一太阳能公司（First Solar）在2013年刷新了这种太阳能电池的效率记录，实验室模块光电转换效率达到了18.7%。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太阳能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，其基本结构以及制备顺序为：玻璃衬底（G）/透明导电膜层（T）/CdS层(n)/CdTe层(p)/过渡层(DE)/背电极层(M)。这些传统的光电池制作方法均存在以下问题：（1）不易实现大面积制备；（2）难以对化合物的成分进行梯度控制；（3）膜厚均匀性难以稳定控制；（4）设备昂贵，且维护成本高；（5）生产工艺复杂，难以降低生产成本。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。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有CdTe薄膜太阳能电池制备技术所存在的上述缺点和不足，开发出柔性CdTe薄膜太阳能电池，提供一种用电化学沉积制备CdTe太阳能电池的技术，成为更简捷有效的制备顺序和方法。本专利技术的柔性CdTe/CdS薄膜太阳能电池的技术方案如下。一种柔性CdTe薄膜太阳能电池，由顺序的金属背电极1、半金属层2、p型CdTe层3、n型CdS层4、透明导电薄膜5和金属栅格电极6构成；金属背电极1构成电池负极；p型CdTe层3与n型CdS层4间构成p-n结；其特征是，从n型CdS层4和透明导电薄膜5的界面沿法线方向向n型CdS层4内部有浓度呈梯度变化的铟掺杂，构成低阻CdS:In层7；所述金属背电极1，是金属镍箔；所述的半金属层2，是碲化亚镍（Ni2.86Te2）；所述p型CdTe层3，是Te过量的CdTe，并且是从半金属层2和p型CdTe层3的界面沿法线方向向p型CdTe层3内部有浓度呈梯度变化的碲掺杂，形成Te梯度变化的p-CdTe层；所述n型CdS层4，是少S的CdS；所述的透明导电薄膜5，是铟掺杂的氧化锡层；所述的金属栅格电极6，是银或铝电极，构成电池正极。所述的金属栅格电极6，电极为长条型，电极宽度为0.5～0.8mm，相邻电极中心线间的距离为1cm。栅格金属电极6和透明导电薄膜5表面可以贴合树脂薄膜，透光性好且耐老化、耐磨的树脂薄膜能起到保护作用。树脂薄膜可以是AR材质薄膜，AR材质薄膜是一种合成材质，分硅胶吸附层，PET中间层和外层，外层为特殊处理层。所述的p型CdTe层3，结构为闪锌矿型晶体结构，[111]方向为沿薄膜的法线方向，薄膜厚度约1.5～3.5μm；所述的n型CdS层4，结构为纤锌矿型晶体结构，[002]方向为沿薄膜法线方向，薄膜的厚度为0.7～1.2μm。本专利技术太阳能电池的结构及作用更详细的说明如下：结构顺序为金属背电极1/半金属层2/p型CdTe（p-CdTe）层3/n型CdS（n-CdS）层4/低阻CdS:In层7/透明导电薄膜5/金属栅格电极6。所述金属背电极1为金属镍箔，起到电荷收集作用，是整个光电池的负极；所述半金属层2为碲化亚镍（Ni2.86Te2），是欧姆结层；所述p-CdTe是Te过量的CdTe，是电池的主体光吸收层；所述n-CdS为少S的CdS，是电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性CdTe薄膜太阳能电池，由顺序的金属背电极（1）、半金属层（2）、p型CdTe层（3）、n型CdS层（4）、透明导电薄膜（5）和金属栅格电极（6）构成；金属背电极（1）构成电池负极；p型CdTe层3与n型CdS层4间构成p?n结；其特征是，从n型CdS层（4）和透明导电薄膜（5）的界面沿法线方向向n型CdS层（4）内部有浓度呈梯度变化的铟掺杂，构成低阻CdS:In层（7）；所述金属背电极（1），是金属镍箔；所述的半金属层（2），是碲化亚镍；所述p型CdTe层（3），是Te过量的CdTe，并且是从半金属层（2）和p型CdTe层（3）的界面沿法线方向向p型CdTe层（3）内部有浓度呈梯度变化的碲掺杂，形成Te梯度变化的p?CdTe层；所述n型CdS层（4），是少S的CdS；所述的透明导电薄膜（5），是铟掺杂的氧化锡层；所述的金属栅格电极（6），是银或铝电极，构成电池正极。

【技术特征摘要】
1.一种柔性CdTe薄膜太阳能电池，由顺序的金属背电极（1）、半金属层
（2）、p型CdTe层（3）、n型CdS层（4）、透明导电薄膜（5）和金属栅格电极
（6）构成；金属背电极（1）构成电池负极；p型CdTe层3与n型CdS层4间
构成p-n结；其特征是，从n型CdS层（4）和透明导电薄膜（5）的界面沿法线
方向向n型CdS层（4）内部有浓度呈梯度变化的铟掺杂，构成低阻CdS:In层
（7）；所述金属背电极（1），是金属镍箔；所述的半金属层（2），是碲化亚镍；
所述p型CdTe层（3），是Te过量的CdTe，并且是从半金属层（2）和p型CdTe
层（3）的界面沿法线方向向p型CdTe层（3）内部有浓度呈梯度变化的碲掺杂，
形成Te梯度变化的p-CdTe层；所述n型CdS层（4），是少S的CdS；所述的
透明导电薄膜（5），是铟掺杂的氧化锡层；所述的金属栅格电极（6），是银或铝
电极，构成电池正极。
2.根据权利要求1所述的柔性CdTe薄膜太阳能电池，其特征是，所述的
金属栅格电极（6），电极为长条型，电极宽度为0.5～0.8mm，相邻电极中心线间
的距离为1cm。
3.根据权利要求1所述的柔性CdTe薄膜太阳能电池，其特征是，栅格金
属电极（6）和透明导电薄膜（5）表面贴合树脂薄膜。
4.根据权利要求1、2或3所述的柔性CdTe薄膜太阳能电池，其特征是，
所述的p型CdTe层（3），结构为闪锌矿型晶体结构，[111]方向为沿薄膜的法线
方向，薄膜厚度1.5～3.5μm；所述的n型CdS层（4），结构为纤锌矿型晶体结构，
[002]方向为沿薄膜法线方向，薄膜的厚度为0.7～1.2μm。
5.一种权利要求1的柔性CdTe薄膜太阳能电池的制备方法，分为金属镍
箔的预处理、电沉积Te层、生长p-CdTe薄膜、生长n-CdS薄膜、制作透明导电
薄膜同时对n-CdS薄膜进行CdCl2退火处理、制作栅格金属电极的步骤；
所述的金属镍箔的预处理，是对金属镍箔进行清洗，氮气吹干；
所述的电沉积Te层，是将预处理过的镍箔放置在电解液A中，以镍箔为工
作电极，石墨为对电极，Ag或AgCl为参比电极，工作电极与对电极的间距为
3～5cm，工作电极电位相对于参比电极为-0.3～-0.5V，电沉积5～10分钟，电解
液温度保持在20～25℃；其中的电解液A，是配制浓度为0.05～0.1M硫酸镉或氯

\t化镉或硝酸镉、浓度为0.001～0.005M的亚碲酸钠和浓度为0.2～0.4M的硫酸钠
和/或氯化钠的水溶液，调节pH值在2～3，再加入表面活性剂十六烷基溴化铵，
表面活性剂用量为0.01～0.1g/100mL；
所述的生长p-CdTe薄膜，是在电沉积Te层后，改变工作电极电位为-0.7～...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海滨，李倩，周晓明，迟凯麟，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：