太阳能光伏技术与应用中的CdTe薄膜太阳电池发展趋势

目前，CdTe薄膜太阳电池的衬底为透明玻璃，如钠钙玻璃（soda－lime glass）和普通的商业化玻璃，但钠钙玻璃的软化点一般在500～550℃，与CdTe沉积工艺温度相当甚至低于工艺温度，因而在工业应用中受到一定的限制。硼硅玻璃（borosilicate glass）软化点较高，但其高成本限制了产业化应用。因此，降低CdTe薄膜的沉积温度，使用普通的商业化玻璃作为衬底，甚至使用高分子材料做衬底而制造柔性的CdTe太阳电池成为研究热点。

TCO材料是所有薄膜太阳电池必不可少的材料，相关新材料和新工艺一直是半导体领域的研究焦点。除了ITO，ZnO：Al作为CdTe太阳电池TCO材料外，掺F的SnO2（SnO2：F）与Cd2SnO4材料也常用来作为TCO层使用。SnO2：F可用溅射法制备，已有多个研究组报道了采用SnO2：F作为TCO薄膜取得高效率的CdTe太阳电池［18～20］。Cd2SnO4薄膜可用Cd的氧化物与Sn共溅射来制备。由于退火时需要较高的温度，解决低成本钠钙玻璃上制备Cd2SnO4膜并实现退火工艺，是未来需要解决的关键技术之一。这种薄膜比ITO有更好的电阻率与光透过率，是产业化的理想材料。

常规窗口层材料CdS与光吸收层CdTe晶体结构不同，晶格失配率大于10%，且CdS的热膨胀系数比CdTe大。这些因素会造成界面缺陷（interface defects），产生大量的界面缺陷态。在CdTe高温处理的过程中，S与Te会发生互相扩散，在CdS／CdTe界面上形成CdSxTe1－x三元混晶层。CdSxTe1－x三元混晶层能减弱晶体结构与晶格常数的失配，有助于抑制表面缺陷态［21～23］。但CdSxTe1－x的形成对p－n结的性能产生哪些其他的影响，以及何种特性的CdS薄膜更适用于CdTe太阳电池的窗口层等还有待进一步的研究。(www.xing528.com)

光吸收层CdTe薄膜中，Cd为重金属元素，对环境有污染，Te为稀有元素，从长远看，势必要减少Cd，Te的使用。目前CdTe吸收层的厚度在1～5μm，如果进一步减小吸收层厚度，将会减少Cd，Te材料的消耗，电池成本会下降，因此未来的研究还需减薄CdTe吸收层的厚度，以及其他元素掺杂（如O掺杂）以及背接触电极对CdTe薄膜太阳电池的影响。

目前工业化CdTe薄膜光伏组件效率约10%左右，与实验室效率水平相比，显然还有很大的提升空间，可以考虑从以下几个方面提高效率：①采用陷光技术（light－trapping techniques）增加光吸收；②提高载流子输运，优化薄膜质量，尽可能减小复合中心；③改善光生电流收集，优化电极图形和接触特性；④优化背表面场和背接触技术，提高开路电压，降低温度系数（temperature coefficient），即温度每升高1℃，使输出功率变化的百分比约为－0．25%。一般情况下，所有光伏器件的输出功率都有负温度系数从－0．2%／℃至－0．7%／℃，晶体硅电池的温度系数接近－0．5%／℃；而且CdTe材料的宽带隙（1．45eV）特性与太阳光谱非常吻合，在高温环境下的输出功率损失最小，与窄带隙材料如晶体硅光伏组件相比相同安装量可以将太阳能更多地转换成电能。