發(fā)布時間：2018-04-03 13:59

  本文選題：CdTe　切入點：CdS　出處：《中國科學技術大學》2017年博士論文

【摘要】：在光伏產(chǎn)業(yè)中,CdTe是最具有經(jīng)濟效益與前景的太陽能電池半導體材料之一。CdTe是一種直接帶隙半導體,禁帶寬度為1.45 eV,對太陽光譜的響應處在較理想的光譜波段,對可見光的吸收系數(shù)高達105 cm-1,只需要約2微米的厚度就可以吸收入射光中99%的能量高于其禁帶寬度的光子,材料消耗極少。單結CdTe薄膜太陽電池的理論光電轉換效率高達29%。目前,小面積CdTe太陽電池的最高轉換效率為22.1%,電池組件的最高轉換效率為18.6%。然而,由于CdTe材料本身特性的限制和對器件物理機制理解的匱乏,制備高效穩(wěn)定的CdTe太陽電池仍然存在很多問題需要解決,如:CdTe薄膜中較低的載流子濃度,P型CdTe半導體較高的功函數(shù),高質量P-N結的制備工藝,CdS窗口層中光子的吸收損耗,摻雜對CdTe太陽電池穩(wěn)定性的影響等。本論文主要研究高效率CdTe薄膜太陽電池的制備及相關問題。第一章,主要介紹了太陽電池的發(fā)展背景和歷史,闡述了太陽電池的結構、原理和輸出特性�？偨Y了 CdTe電池的制備工藝,并對CdS、CdTe材料物理性能進行了研究。第二章,討論了高轉換效率CdTe薄膜太陽電池的制備步驟。CdTe薄膜電池的結構為Glass/SnO2:F/N-CdS/P-CdTe/Cu-Au。CdS窗口層通過化學水浴法制備,CdTe通過近空間升華法制備。為制備出高質量的P-N結,對CdS層進行熱處理時,通過調節(jié)氣氛,提高了 CdS的結晶程度,減少了 CdS表面的過度氧化,促進了 CdS/CdTe界面處互擴散。第三章,基于金屬氧化物CuO作為CdTe薄膜電池背接觸電極的制備研究。在CdTe電池制備中,背接觸層要具備低電阻率、高功函數(shù)、熱穩(wěn)定等特征。CuO作為CdTe電池背電極緩沖層有效降低了 CuO/CdTe界面處的接觸勢壘,電池效率可達12.2%。同時,包含CuO緩沖層的Cu/CuO/metal背接觸結構可以大大減少Cu的用量,減少背電極中雜質元素向CdTe中的擴散,提高了電池的穩(wěn)定性。第四章,基于碳納米纖維(CNFs)作為CdTe薄膜電池背接觸電極的制備研究。CNFs具有優(yōu)越的電學與光電性能。X射線光電子能譜(XPS)測量結果表明,CNFs能顯著降低CNF/CdTe界面處的接觸勢壘。包含CNFs緩沖層的Cu/CNFs/metal背接觸結構可以大大減少Cu的用量,減少背電極中Cu元素向CdTe中的擴散,提高了電池的穩(wěn)定性。同時,電池效率可達11.3%。第五章,超薄CdTe太陽電池的制備與研究。電池結構為FTO/CdS/CdTe/TMO/Metal。TMO為過度金屬氧化物。CdTe吸收層厚度控制在0.5-1 um之間,實驗結果表明CdTe為1μm厚度時,電池效率已穩(wěn)定可靠。在制備高質量超薄CdTe層過程中,CdC12熱處理過程起著重要作用。同時,研究了不同金屬氧化物(V205、NiO、CuO)作為電池背電極緩沖層對電池性能的影響,其中具有CuO背電極結構的電池效率可達6.84%。金屬氧化物作為超薄CdTe太陽電池背接觸緩沖層能有效提高電池穩(wěn)定型。第六章,對本論文進行了概括總結,對CdTe薄膜太陽電池的前景進行了展望。
[Abstract]:In the photovoltaic industry, CdTe is one of the most economical and promising semiconductor materials for solar cells. CdTe is a direct bandgap semiconductor with a band gap of 1.45 EV, and the response to the solar spectrum is in an ideal spectral band.The absorption coefficient of visible light is up to 105 cm ~ (-1), and the energy of 99% of the incident light can be absorbed from the incident light with a thickness of about 2 渭 m. The energy of the incident light is higher than its band gap, and the material consumption is very small.The theoretical photoelectric conversion efficiency of single junction CdTe thin film solar cells is as high as 29.At present, the maximum conversion efficiency of small area CdTe solar cells is 22. 1 and the highest conversion efficiency of battery components is 18. 6.However, due to the limitation of the properties of CdTe materials and the lack of understanding of the physical mechanism of the devices, there are still many problems to be solved in the preparation of efficient and stable CdTe solar cells.For example, the lower carrier concentration and the higher work function of P-type CdTe semiconductor, the fabrication process of high quality P-N junction and the influence of doping on the stability of CdTe solar cell.In this paper, the preparation and related problems of high efficiency CdTe thin film solar cells are studied.In the first chapter, the development background and history of solar cells are introduced, and the structure, principle and output characteristics of solar cells are described.The preparation process of CdTe battery was summarized, and the physical properties of CdTe materials were studied.In the second chapter, the preparation steps of CdTe thin film solar cells with high conversion efficiency are discussed. The structure of CdTe thin film solar cells is prepared by chemical water bath method. The structure of Glass/SnO2:F/N-CdS/P-CdTe/Cu-Au.CdS thin film solar cells is prepared by near space sublimation method.In order to prepare high quality P-N junction, the crystallization degree of CdS was improved by adjusting the atmosphere during heat treatment of CdS layer, and the excessive oxidation of CdS surface was reduced, and the interdiffusion of CdS/CdTe interface was promoted.In chapter 3, the preparation of back contact electrode for CdTe thin film battery based on metal oxide CuO is studied.In the preparation of CdTe battery, the back contact layer should have the characteristics of low resistivity, high power function and thermal stability. As the buffer layer of the back electrode of the CdTe battery, the contact barrier at the CuO/CdTe interface can be effectively reduced, and the cell efficiency can reach 12.2.At the same time, the back contact structure of Cu/CuO/metal containing CuO buffer layer can greatly reduce the amount of Cu, reduce the diffusion of impurity elements in the back electrode to CdTe, and improve the stability of the battery.In chapter 4, the preparation of CNFs as the back contact electrode of CdTe thin film battery. The results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurement show that CNFS can significantly reduce the contact barrier at the CNF/CdTe interface.The back contact structure of Cu/CNFs/metal containing CNFs buffer layer can greatly reduce the amount of Cu, reduce the diffusion of Cu element from the back electrode to CdTe, and improve the stability of the cell.At the same time, the battery efficiency can reach 11. 3%.Chapter 5, preparation and research of ultra-thin CdTe solar cells.The structure of the cell is FTO/CdS/CdTe/TMO/Metal.TMO. The thickness of the absorption layer is between 0.5 ~ (-1) um. The experimental results show that the cell efficiency is stable and reliable when the thickness of CdTe is 1 渭 m.In the process of preparing high quality ultrathin CdTe layer, the heat treatment process of C12 plays an important role.At the same time, the effect of different metal oxides (V205) as the buffer layer on the performance of the battery was studied. The efficiency of the battery with the CuO back electrode structure can reach 6.84.Metal oxide as the back contact buffer layer of ultra-thin CdTe solar cells can effectively improve the stability of the cell.In chapter 6, the thesis is summarized and the prospect of CdTe thin-film solar cells is prospected.
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM914.42

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本文編號：1705493