CdTe薄膜太阳能电池研究现状及产业化进程

CdTe薄膜太阳能电池研究现状及产业化进程

碲化镉(ＣｄＴｅ)系薄膜大阳能电池

这种电池系由ＣｄＴｅ、ＣｄＳ和其他Ⅱ－Ⅵ族化合物通过相对简单且成本低的工艺沉积在衬底上经干燥和烧结而成。目前实验室效率达到１６．５％，中试线效率达到１０％，已由实验室研究阶段走向规模化工业生产。下一步的研发重点，是进一步降低成本、提高效率并改进与完善生产工艺。该电池如果作为大规模生产与应用的光伏器件，最值得关注的是环境污染问题。Ｃｄ是重金属，有剧毒，Ｃｄ的化合物与Ｃｄ一样，也是有毒的。其主要影响，一是含有Ｃｄ的尘埃通过呼吸道对人类和其他动物造成的危害；二是生产废水废物排放所造成的污染。因此，对破损的玻璃片上的Ｃｄ和Ｔｅ应去除并回收，对损坏和废弃的组件应进行妥善处理，对生产中排放的废水、废物应进行符合环保标准的处理。

封装对CdTe太阳能电池性能的影响

阅读提示：本文通过对CdTe电池封装前后光照I-V和光谱响应测试，研究了封装工艺对CdTe太阳能电池性能的影响，发现在130℃和140℃封装后，电池的性能参数略有提高。通过对封装后的CdTe太阳能电池半年多的观测，发现不论是在光照还是在室内避光条件下，电池器件的性能参数Voc、Isc、FF、η呈波动变化，并未出现明显的下降趋势。这种稳定性无疑有利于以后CdTe太阳能电池的使用。 引言

太阳能电池是太阳能利用途径中的一项新技术，阳光发电是基于太阳光与半导体材料的作用而形成的光伏效应，直接把太阳的可见光能转变为电能。可是，如果薄膜玻璃基片直接暴露于大气中，其光电转换机制将发生衰降。为此采用透明、耐老化、粘结性好，能承受大气变化而具弹性的胶层将薄膜基片包封，并和保护材料玻璃或TPT（聚氟乙烯复合膜）粘为一体，构成太阳能电池板。

光伏器件要达到30年的寿命，就需要器件具有很好的稳定性而不具有效率衰减的可行性。Rosenthal曾报道了在Las Cruces,New Mexico来自三个厂家生产的装在屋顶上的pc-Si和a-Si太阳能电池的连续17年的衰减特性，找出了电池的不同的衰减速率和用于封装EVA膜由黄色到褐色的颜色进一步变化规律。Faiman group系统监测到放置在沙漠中的1kW pc-Si带有反射镜的光伏器件的效率每年减小1%～2%，同时EVA变成棕色。如果去掉反射镜，器件衰减效率降低到0.5%［2～4］。因此，选用适当的封装材料，探索使用的封装工艺对太阳能电池的实际应用具有重要的意义。

本文主要研究了CdTe太阳能电池的封装工艺对其性能的影响和CdTe光伏器件的稳定性变化。

太阳能作为一种清洁的、没有任何污染的能源越来越受到和引起世界各国的关注和极大的兴趣。各种光电转化效率高而且器件制作成本低廉的薄膜太阳电池呼之欲出。

最初人们利用单晶硅片制作太阳能电池模块，再由大量的模块组装成太阳能电池板。单晶硅太阳能的

光电转换效率得到很大的提高，最高的达到24％，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的。但是单晶硅太阳能电池的制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。科学工作者随后又研究和开发了多晶硅太阳能电池，从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。因此，从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。

经过多年的探索，人们将注意的目光转向薄膜太阳能电池板。从总体上讲，这种类型的太阳能电池是由具有不同功能和作用的一系列薄膜组成，并经过连线等工艺，制作成为太阳能电池板，其最大的优点是工艺过程大大简化，制作成本大大降低。

对薄膜太阳能电池的研究主要是从80年代开始，科技工作者一直在致力于提高薄膜太阳能电池板的光电转化效率和器件的使用寿命。

从使用的材料来讲，大部分的研究者都是把硅作为最基本的材料，也就是说沉积多层的不同导电类型多晶硅薄膜或非晶硅薄膜，形成单一的p-n结或多个p-n结，以达到增加太阳能的光电转化效率。这些硅基薄膜太阳能电池在使用时，也发现有较为严重的光辐射引致性能衰退效应（Staebler-Wronski Effect：简称SWE效应），到目前产品稳定的光电转换效率为11～13％。

美国从80年代初期开始生产上述薄膜太阳能电池，用于家庭供电以及地面电站的小区域供电，在84年～95年间，这种薄膜太阳能电池的平均年增长率为15％，已经建成的地面电站总容量为17兆瓦。薄膜太阳能在日本的研究和发展也是非常有基础的。其发展水平与美国相当。在德国，已经建成了世界上第一座全太阳能能源（包括电能和热能）供应的建筑，尽管在目前，这幢建筑的象征和示范意义还大于经济意义，但是，却具有潜在的重大的经济和社会意义。

近十年来，研究者发现有一些化合物半导体材料适于作太阳能光电转化薄膜。例如CdS, CdTe; III-V化合物半导体：GaAs, AlP InP等；用这些半导体制作的薄膜太阳能电池表现出很好光电转化效率。 具有梯度能带间隙（导带与价带之间的能级差）多元的半导体材料，可以扩大太阳能吸收光谱范围，进而提高光电转化效率。使薄膜太阳能电池大量实际的应用呈现广阔的前景。在这些多元的半导体材料中Cu(In, Ga)Se2是一种性能优良太阳光吸收材料。以它为基础可以设计出光电转换效率比硅薄膜太阳能电池明显地高的薄膜太阳能电池。可以达到的光电转化率为18％，而且，此类薄膜太阳能电池到目前为止，未发现有光辐射引致性能衰退效应（SWE），这意味着新型多元带隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太阳能电池的光电转化效率比目前商用的薄膜太阳能电池板提高约50％～75％。

薄膜太阳能电池，光电转化效率达到了18％，在薄膜太阳能电池中属于世界最高水平的光电转化效率，同时由于大量的采用薄膜工艺，使制作成本大大降低。这种薄膜能太阳电池的开发成功，可以产生一种新的高新技术产业，甚至带来一种能源的技术革命。对于大量的普遍利用太阳能起到强有力的推动作用。这种薄膜太阳能电池可以是一幢建筑物的房顶，也可以整个建筑物的外墙，完全可以供应和满足民居和办公对电力的要求。也可以建成地面电站。

由于常用的化合物薄膜太阳能电池中，常含有CdS，这对环境的保护是一个威胁，薄膜太阳能电池用ZnS替代了CdS，消除了产生重金属污染的可能。

发展这种高新技术的绿色环保产业，不仅对发展全国经济均具有积极的影响和作用，而且符合国家产业发展方向，对于提高环境质量，具有重大意义。高光电转化效率而且器件制作成本低廉的薄膜太阳能电池板的出现可能引起一场能源产业的“技术革命”。

此外，由于透明导电薄膜（或玻璃）在大面积太阳能电池板的制作中也是必不可少的材料，随着太阳能和薄膜太阳能电池板这一巨大产业的形成，对透明导电玻璃的需求也同样极其巨大。

项目名称：四川阿波罗太阳能科技开发股份有限公司新型薄膜CdTe/CdS太阳能电池核心材料产业化 建设地址：成都 建设性质：新建 建设年限：2007—2009

建设内容：年产碲化镉50吨的生产线、硫化镉10吨生产线 资金来源：自筹及贷款 总投资：18532

至2006年底完成投资：185 2007年投资计划：10000 2007年主要形象进度：开工建设

项目法人(或建设单位)：四川阿波罗太阳能科技开发股份有限公司 主管部门(或责任单位) ：成都市人民政府

CdTe／CdS太阳电池

2

CdTe／CdS薄膜太阳电他的理论值为，开路电压1050mV，短路电流30.8mA／cm，填充因子83.7，转换效率～27％。 表：列出了比较典型的制备的CdTe／CdS太阳电池和组件的性能，同时列出了相应的研究组织。所有高效CdTe／CdS太阳电池都采用上覆盖器件结构。下面详细介绍几种制备方法和电池性能。

3．5．1 丝网印刷烧结法

丝网印刷烧法具有工艺简单，生产速度快，易于大面积制作，掺杂容易，成本低等优

2

点。目前利用此方法制作的CdS／CdTe太阳电池，面积为4.6cm，效率12．8％，30cm×30cm面积电池的效率为8．5％。

CdS／CdTe太阳电池是在玻璃衬底上分别印刷烧结一层n-CdS和p-Cdh薄膜构成。首先将经过焙烧挥发去除杂质的CdS粉未研磨成小颗粒，烘干后再加入12％重量的CdCl2助溶剂，用丙二醇调制成CdS膏浆。用涤纶或尼龙丝网将CdS浆印刷在玻璃衬底上并烘干。印刷好的CdS膜在N2气中680C下，烧结30min左右即可完成CdS薄膜的制备。接着在CdS薄膜上制备CdTe薄膜。类似于CdS薄膜，将相同重量的Cd和Te粉加入0．5％重量的助溶剂CdCl2和适量丙二醇制成（Cd＋Te）膏浆，然后用尼龙丝网将此膏浆印刷于CdS膜上。在N2气中620℃下烧结60min后，便形成CdTe膜。最后是制备电极。在CdTe膜上，通过印刷和烧结

-6

碳形成电极。p-CdTe是用Cu作掺杂剂形成的。在选用的碳膏中含有50×l0的Cu，在300℃下烧结碳电极的同时，其中的Cu向CdTe中扩散使其成为p型。于是n-CdS与其上的p-CdTe便形成了p-n结。还需要在CdTe膜的碳电极上印刷银膏作为上电极。 用丝网烧结制备CdS／CdTe异质结太阳电池过程中，这个体系发生了十分复杂的物理和化学变化。产生了许多气态和固态的副产物，这样使得工艺条件难以控制，从而影响工艺重现性和太阳能电池性能的稳定性。 3．5．2周期性电脉冲沉积法

用周期性脉冲电化学沉积技术制备Cds／CdTe太阳电池有以下优点：（1）可将膜沉积到所要求的衬底材料上，所以能大大降低材料成本；（2）所用设备简单便宜；（3）对一转换效率大于10％的太阳电池，同种溶液可长期使用，一般可用8-9个月；（4）由于沉积参数易于控制，薄膜质量的重现性很好；（5）能很好地控制U、Te和5的比例，并能获得高纯度薄膜材料。

2+

CdS膜的电镀液是将分析纯的CdCl2和高纯水（18MΩ·cm）制成含有0．2MCd的溶液，

2-在90℃和5mV电位下电纯化12h之后，加入硫化钠形成0.01MS203溶液，并加入HCI使pH值达到2，衬底材料为FTO／玻璃，方波脉冲电源加于溶液槽中正负电极上。阳极电位为+0.6V（SCE）。脉冲时间2s，阴极电位0.955V（对SCE），脉冲时间1s。沉积2h后，衬底上呈

2+

现100nm～110nm原黄色CdS膜。 CdTe溶液是用分析纯C北和高纯水制成2.5MC溶液，并