[发明专利]一种碲化镉薄膜太阳能电池的电子反射层及制造方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜太阳能领域，尤其涉及一种碲化镉薄膜太阳能电池的电子反射层及制造方法。

背景技术

碲化镉薄膜太阳能电池是一种以p型碲化镉(CdTe)和n型硫化镉(CdS)的异质结为基础的薄膜太阳能电池，基于成本和效率的考虑下，近年来以成为最有潜力的太阳能电池之一，碲化镉的能隙大约1.5电子伏特(eV)，理论上是可以使p-n结太阳能电池在AM 1.5太阳光谱下产生近乎最高转换效能的能隙，碲化镉大能隙所产生较小的温度系数使得碲化镉薄膜太阳能电池的年发电量高于其他太阳能电池技术，此外，碲化镉极佳的光学吸收系数使得吸收层只需要数微米厚(是典型晶硅太阳能电池吸收层厚度的百分之一)，高效能碲化镉薄膜太阳能电池可以由多种不同的制程方法达成，主要是因为其电性和结构通常在制程后处理(post-deposition treatment)过程中达到优化，较经济的制成方法已经被用来大规模生产大尺寸的太阳能模块，目前19.6%的碲化镉太阳能电池转换效能和16.1%的碲化镉模块转换效能已经达成，此里程碑已展示了碲化镉薄膜太阳能电池之潜力。然而，碲化镉太阳电池的转换效能还是远低于其理论最大转换效能(约29%)，为了进一步的提升其转换效能，一种提升碲化镉太阳能电池之开路电压的能带结构在这里被说明。

   典型的碲化镉薄膜太阳电池是一个长在透明玻璃基板上的多层膜光电组件，其典型组件结构为：玻璃基板/透明电极/n-CdS(硫化镉)/p-CdTe(碲化镉)/金属电极，太阳光由玻璃端射入，其太阳能电池结构如附图1和2所示，其中透明电极和n型硫化镉的光学能隙较大，可以让大部分的可见光穿透。主要的发电结构为碲化镉和硫化镉所形成的p-n异质结，入射光被碲化镉吸收层吸受后产生电子与电洞对(electron-hole pair)，在异质结中空阀区(depletion region)的内建电场可以有效的分开电子与电洞而减少其再结合的机会，载子(电子或电洞)有了内建电场的帮助可以有效的被电极收集，被分开的电洞由和碲化镉紧邻的金属电极收集，而电子经由和硫化镉紧邻的透明电极收集，最后电子经由外部回路传导而回到透明电极端和电洞再结合而形成电流回路，只要有入射光进入太阳能电池，此一机制就会运作而形成电流源。

对于碲化镉太阳能电池，往往有大量的能阶位于背电极接面(碲化镉和金属电极的接面，又称背接面)的能隙区，再结合会有效的透过这些能阶发生而降低开路电压，当载子的扩散距离和吸收层厚度相当时，背接面产生的再结合将成为限制转换效能的主因，当吸收层完全的被空乏下，内建电场可以有效的驱使电子远离背部电极以减少背接面再结合(back-surface recombination)，当太阳能电池在顺向偏压下运作，内建电场将被减小，当内建电场被减小到不足以驱使电子远离背接面时，将会有更多的电子可以扩散到背接面而产生再结合，如果在靠近背接面有一个传导带(conduction band)的位能障碍，这个障碍将可以驱使电子离开背电极，这个传导带障碍被定义为电子反射镜，此概念已被J. Sites和J. Pan在论文Thin Solid Films 515 (2007) 6099–6102提出。

最简单且有效形成电子反射镜的方法就是直接加一层电子反射层于吸收层和背金属电极之间，该电子反射层应具有比吸收层更高的能隙，且为两层的能隙差主要降落在传导带的最低能阶(conduction band minimum)，而价电带的最高能阶(valence band maximum)的位能差越小越好，如此所产生的电子反射层位能屏障高度大约就是两种材料的能隙差，可以藉由改变材料来调整位能屏障高度，屏障高度也是主要拿来定量电子反射镜的参数，位能屏障越高，电子能扩散到背接面的机会就越小，背接面再结合就会越少。当扩散距离相当于吸收层厚度时，背接面再结合会主宰开路电压的耗损，电子反射镜可以发挥最大的效果，此为使用电子反射镜之最佳条件，典型的碲化镉薄膜太阳能电池的载子生命周期约为数奈秒，所对应的扩散距离约为数微米。当吸收层和电子反射层接口的再结合速度与背接面的再结合速度相当时，背接面的再结合将会在该接口发生而导致电子反射镜失效。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供了一种碲化镉薄膜太阳能电池的电子反射层及制造方法。本发明的技术方案中电子反射层沿着纵向的能隙变化是渐变的，就不会因为在热膨胀系数和晶格常数上有较大的不匹配而造成再结合中心。