发展的前后联系CdTe层串联柔性光电转换器的基础上CdTe / CuInSe₂

文摘

不反应的高频磁控溅射的方法在Upilex聚酰亚胺薄膜,透明和导电层ITO。高温退火后,这些层在温度形成典型的太阳能电池,11欧姆的电阻/和透光率高达72%。使用这样的一层ITO的100 nm厚层无掺杂氧化锌,前面的接触,和铜/ ITO组成,回来联系,使人们有可能获得一个灵活的太阳能电池聚酰亚胺/ ITO / cd / CdTe /铜/ ITO效率10.4%。碲化镉的基本层的厚度2.5μm SC的平均透过率在850 - 1100纳米波长范围是46.8%。的开发设计一个灵活的基于碲化镉太阳能电池由于使用梳子透明背景接触金属电极很容易与现有的设计界面上的柔性太阳能电池基于铜、铟联硒化物,允许灵活的形成串联光电转换器CdTe / CuInSe₂。

1。介绍

目前,经济技术的形成基础和接口层薄膜太阳能电池正在开发替代广泛使用的基于晶体硅太阳能电池(SCs) (1- - - - - -6]。在半导体化合物,理论效率最高的地面条件下,29%的带隙的碲化镉薄膜层1.46 eV (7,8]。

最近,灵活的太阳能电池基于cd / CdTe和基于铜、铟联硒化物CuInSe₂(CIS)一直在积极发展(见,例如,9- - - - - -11])。

这种类型的太阳能电池的特征是显著减少体重代替玻璃衬底的聚酰亚胺薄膜或金属箔的仪器结构形成以及安装在任何复杂表面的可能性。

现代的方向提高光电转换效率是串联仪器结构的创建。在这样的仪器结构,一些光电的活动基地层具有不同能带宽度( )使用。在串联光电转换器的设计,希望使用薄膜太阳能电池的基础层CdTe CuInSe₂。这些基地的能源结构的组合层( 和 )可以有效地将太阳辐射,在陆地和大气条件下。的一个阶段发展的高效灵活的太阳能电池基于cd /集团的发展是一个技术获得透明和导电前电极。此外,对于使用cd / CdTe薄膜太阳能电池光电转换器,这些太阳能电池应该透明电极。使用太阳能电池与更广泛的基础层的透明电极允许的表面不吸收光子进入下一个SC的串联光电转换器。

目前,实验室样品串联光电转换器基于CdTe / CIS测试只有在玻璃基板上形成(12]。同时,两个太阳能电池的电气连接问题工具串联结构尚未解决。因此,前、后电极的发展灵活的宽带基础层串联光电转换器基于CdTe / CIS是一个实际问题;的解决方案将允许创建电影灵活的仪器结构的效率高于基于晶体硅太阳能电池的效率。

2。技术获取样品,进行实验研究

ITO层沉积不反应的高频磁控溅射的方法在一个工业安装mrc - 6031 Upilex聚酰亚胺薄膜;的厚度是7μm。在溅射的目标,这是一个压缩机械混合的粉末₂O₃(90 wt %)和SnO₂(10 wt %)半导体纯洁。伊藤是喷在一个氩氧混合的压力 。氧气的浓度在氩氧混合物的成分 ,特定的磁控管的力量 。在制备ITO层,衬底的温度不同 来 。沉积温度的上限是由聚酰亚胺薄膜的温度稳定性。

在柔性基板与ITO层、cd电影被热蒸发沉积在衬底温度为200°C。然后,进行了真空退火的温度为30分钟430°C。这是必要的,在随后的碲化镉的应用,避免不稳定的形成坚实的解决方案的cd_xTe_{1 - x},腐烂在治疗最后的高温“氯”刚做好基本的cd / CdTe heterosystem,导致SC的效率下降。真空退火后没有令人不安的衬底温度的真空300°C, CdTe电影沉积。由此产生的设备heterosystems接受了“氯”治疗。为此,CdCl₂电影表面沉积CdTe没有加热衬底层通过热蒸发。然后,生成的多层膜系统在空气中退火的温度在一个封闭的体积为25分钟430°C。移除反应产物,形成近地表的碲化镉和碲富集,退火样品被蚀刻在溴溶液5%甲醇。形成的上电极SС蚀刻表面碲化镉、铜nanolayers被热蒸发沉积,然后,ITO膜形成的磁控溅射的方法。

揭示了膜层的结构特点,其衍射光谱测量- - - - - - 扫描Bragg-Brentano聚焦在铜阳极的辐射角的范围 。衍射图处理,位置、强度和宽度峰进行了分析。

电影的最佳取向决定的价值结构系数计算公式(13] 在哪里检测到的强度吗 - - - - - -th峰值;的强度吗 - - - - - -th高峰,根据这一阶段的JCPDS表数据;和是衍射的数量最大值在衍射图的分析发现(反射对应多个指标不考虑)。比较texturization度样品的参数计算(13]:

精确测定点阵时期基础层的碲化镉进行了使用Nelson-Rile外推函数 。

为了研究ITO薄膜的表面电阻,four-probe方法使用。浓度的测定( )和流动( )主要负责运营商的ITO薄膜是由霍尔电动势的方法。研究半导体薄膜的光学性质在SF-46双通道分光光度计,透射系数的光谱依赖性的波长范围300 - 1100纳米测量。

在照明的条件1 100 mW的光通量/厘米²,灯电流电压特性(CVC)制造太阳能电池测量和输出参数测定:短路电流密度( ),开路电压( ),填充系数(FF),最终,效率( )。根据等效SC方案,光伏发电过程的定量特征是太阳能电池的光二极管特性:光电流密度( ),二极管饱和电流的密度( ),二极管理想系数( ),串联电阻( ),和分流电阻( ),计算单位面积上的太阳能电池。

太阳能电池的效率之间的关系与光二极管特征隐式形式理论所描述的光CVC的太阳能电池14]: 在哪里是流经负载的电流密度;是电子电荷;波尔兹曼常数;太阳能电池的温度;和负载上电压降。

通过实验光近似电流电压特性与理论依赖(3),太阳能电池的光二极管特性和效率进行了计算。在这种情况下,效率的价值,计算理论的帮助下根据CVC特点,确定实验,恰逢0.05%的准确性。

3所示。结果与讨论

3.1。调查的结构、光学和电学性质的ITO层上形成灵活的聚酰亚胺基质

分析沉积ITO层的相组成(见图1(一))表明,在调查范围内的沉积温度 -430°С,他们有一个立方修改,这是毫无疑问的存在证实了晶体的反射平面(211)、(222)、(400)、(411)、(331)、(431)、(440)、(541)、(611)、(622)、(444),这个阶段的特征。

发现获得的ITO薄膜在(100)方向的。最佳取向程度的定量分析表明,当衬底温度增加,优惠ITO层的取向程度的增加 在 来 在 。

随着衬底温度的增加,所有观察到的峰值的宽度也减少,这表明下降的有缺陷的晶体结构。

调查获得的ITO薄膜的光学和电学性质在不同衬底温度(表1)表明,增加从20°C到430°С,单调降低表面电阻 来 是观察到的。

减少随着沉积温度由于多数载流子的迁移率的增加 在 来 在 在一个背景大大多数载流子的浓度值不变。多数载流子迁移率的增长与沉积温度通常是相关的散射减少电荷载体的减少有缺陷(见,例如,在15,16]),固定在x射线结构研究实验。

只要光子的数量进入基地层范围内的感光灵敏度显著影响太阳能电池的效率,平均透射系数( )ITO /聚酰亚胺系统测定的光谱范围从500纳米到900纳米,这对应的光敏性地区太阳能电池基于cd /集团。波长范围从500到900纳米,平均透光率系数的ITO /聚酰亚胺系统获得的温度范围内沉积20 - 430°С不一的范围从68.8%到70.9%(表1)。

ITO电影应该展示相结合的高透光率系数和低表面电阻不仅在初始状态,而且在仪器的组成结构的太阳能电池。使用过程中高温操作的进一步形成ITO / cd / CdTe SC会导致晶体结构的改变和恶化的最初的光学和电学性质。

最显著的影响在前电极的电特性的形成ITO / cd / CdTe太阳能电池提供的“氯”治疗,它可以模拟退火ITO薄膜在空气中在430°C 25分钟。因此,为了研究晶体结构的演变,最初的ITO层的光学和电学性质在柔性太阳能电池的形成基于cd / CdTe, ITO薄膜获得在不同沉积温度对聚酰亚胺基质在空气中退火在430°C 25分钟。典型的x射线衍射图和透射系数的电影退火前后的数据所示1和2相应地,。处理x射线衍射图表明,在空气中退火导致的增加的程度优先定位ITO层的方向(100) 来 在 从 来 在 (见表2)。因此,一个更重要的变化在空气中退火后的晶体结构的特点是ITO层获得较低的沉积温度。分析的数据表2表明,飞机的晶面间的距离(222)和(400)在空气中退火后发生显著的变化。

在这种情况下,和在退火之前低于相应的列表值(2.921和2.529 (17退火后])和更高。

根据公布的数据(18],ITO薄膜上形成聚酰亚胺薄膜聚酰亚胺的电影,有一个明显的缺氧与化学计量值相比,导致减少平面间的距离与他们相比列表值。在ITO层研究美国形成Upilex聚酰亚胺电影,类似的机制来减少平面间的距离也可以观察到。在空气中退火ITO层上形成聚酰亚胺薄膜导致与氧层的饱和度,从而导致实验观察到显著的增长和 。

在刚生产ITO薄膜,另一个机制来减少平面间的距离也可以意识到与理论值相比。

只要聚酰亚胺的热膨胀系数 和伊藤 ,然后按照比例 ,ITO薄膜的平面间的距离,形成聚酰亚胺在430°C的温度在柔性衬底上的弹性压缩在冷却之后,应该增加 。但是,如果聚酰亚胺薄膜发生塑性变形,当加热到430°C,然后在ITO层,由于拉应力对一边的柔性衬底上,平面间的距离应该减少,观察实验。自沉积温度接近的极限使用聚酰亚胺薄膜的热稳定性,聚酰亚胺薄膜的塑性变形在ITO层的沉积是非常可能的。

在ITO层,在空气中退火后,所有衍射峰的角宽度减少。峰的宽度(211),位于小角度,减少两倍,这表明相干散射区域的尺寸增加。显著降低峰值的宽度(622),位于大角,同时表明微小变形减少退火ITO层。热处理实验,我们已经表明,在空气中引起的透射系数略有增加ITO /聚酰亚胺系统的背景下,一个更重要的表面电阻率增加ITO形成聚酰亚胺衬底(表3)。

大厅的测量定位。f表明的增长是由于绝大多数载流子的浓度下降不显著增长的背景下,他们的流动性。例如,对于ITO层获得没有加热衬底,在空气中退火导致的多数载流子的浓度下降的6倍 来 而绝大多数载流子的迁移率增加三倍 tо 。

我们相信绝大多数载流子的浓度的减少是由于合金杂质的氧化。绝大多数载流子的迁移率的增加与相干散射区域的大小的增加和减少退火ITO在微小变形层。

只有ITO薄膜沉积在衬底温度达到430°C,在空气中退火后,有电气参数(表面电阻是11欧姆/ ),这使得它可以使用他们的建设有效灵活的基于硫化镉和碲化镉太阳能电池。的平均透射系数ITO /聚酰亚胺体系相对应的波长范围的光敏性基于硫化镉和碲化镉太阳能电池达到72%。

对退火ITO薄膜上形成聚酰亚胺基质的沉积温度430°C和在空气中退火温度为25分钟,重复类似的在空气中退火。再退火的晶体结构层的调查显示没有明显的晶体结构参数的变化。层的表面电阻的值增加了只有几个百分点;平均透光率系数在500 - 900纳米范围并没有改变。因此,退火ITO薄膜有稳定的特性。

3.2。柔性太阳能电池的发展基于cd /集团一个透明电极

使用cd / CdTe太阳能电池串联光电转换器的一部分,必须形成一个透明电极表面的CdTe基础层。它是已知的19),背面电极铜/非盟和碲化镉层形成低阻隧道结。根据(20.),当CdTe表面蚀刻在甲醇和溴溶液扩散到基地层附近的铜表面,一个夹层p+类型的导电性形成,它提供了一个较低的接触电阻。这是所示(21)的铜扩散在铜层厚度10 nm的退化导致太阳能电池的输出特性。另一方面,有两面的敏感太阳能电池发展的玻璃衬底上(22),结果表明:不使用铜这些太阳能电池的效率很低。因此,发展的透明电极,回来联系CdTe层,铜/ ITO薄膜成分的铜膜厚度小于1海里使用(23]。

形成的柔性太阳能电池,伊藤的沉积温度为430°C;硫化镉层的厚度 。聚酰亚胺/ ITO / cd / CdTe /铜/ ITO SCs和不同厚度的CdTe基础层。所示(12),最大效率的SC碲化镉层时观察到的 。在[24,25),也发现在给定的碲化镉层的厚度,光电转换的优化是观察到一个定义良好的氯化镉层的厚度和时间的“氯”治疗。在我们的例子中,使用柔性衬底上,获得了9.2%的效率与氯化镉的厚度 。

太阳能电池的电流电压特性的照明下正面图所示3;曲线1和输出参数和二极管特性表4。

在[26),结果表明,使用一个额外的无掺杂层的厚度50 - 120纳米ITO和cd在前面接触层导致提高太阳能电池的效率。这样一层,我们使用无掺杂氧化锌层与100纳米厚,这允许增加柔性太阳能电池的效率 来 (图3曲线2和表4)。

图4的透过率光谱显示了聚酰亚胺/ ITO /氧化锌/ cd / CdTe /铜/ ITO CdTe层不同厚度的太阳能电池。基本层厚度为2.5μm,太阳能电池的平均透过率在850 - 1100纳米波长范围是46.8%,和一个基本层厚度为1.0μ米,是55.2%。尽管聚酰亚胺的传播/ ITO /氧化锌/ cd / CdTe /铜/ ITO太阳能电池与CdTe层厚度减少到1μm增加时,其效率降低到7%。因此,为了创造一个灵活的串联CdTe / CuInSe₂太阳能电池,CdTe 2.5的厚度μ将最优米层。

独联体灵活SCs开发金属和聚合物薄膜基板(见[27- - - - - -29日])。下列建设有效的基于CIS薄膜太阳能电池,Mo / CuInSe₂/立方寸₃Se₅/ cd /氧化锌/氧化锌:艾尔,被认为是在文献[30.]。在这个建筑, - - - - - - - - - - - -结构形成,氧化锌的高导电性的阶段:艾尔扮演的角色层和薄的高电阻率层氧化锌和cd扮演的角色 - - - - - -夹层类型。在这种太阳能电池,空间电荷区域集中在CuInSe的基础层₂(31日由于夹层的存在 - - - - - -立方寸₃Se₅,这是合成CuInSe内“pseudohomo化合物”₂层(32]。

主要的问题在创建基于CdTe / CuInSe串联光电转换器₂无法产生SC基于碲化镉太阳能电池表面基于CIS。防止扩散的铝氧化锌层为高电阻率夹层,氧化锌的沉积:艾尔在高效SCs进行加热的衬底。结果显示部分3.1,形成一层ITO最佳电气和光学特性用于建设有效CdTe-based太阳能电池应该发生在一个温度为430°C。如果这个过程进行直接表面的SC基于CIS,这将导致退化的输出参数()太阳能电池。因此,当创建一个串联光电转换器,它有利于使两个灵活SCs分别连接在一起,通过焊接。

为此,表面的铜/ ITO电极基于碲化镉SC,倪(图的梳子5(一个)),其配置完全一致的配置前电极的SC基于铜、铟联硒化物,应该另外创建。然后,变换的两个完成了太阳能电池可以由焊接镍电极,然后获得一个完全密封的灵活的光电模块(图5 (b))。

4所示。结论

不反应的高频磁控溅射的方法在Upilex聚酰亚胺薄膜,透明和导电层ITO。ITO薄膜沉积在特定磁控管功率1.5 Wt /厘米²,氧气分压在氩氧混合物的组成是3卷。%和430°C的沉积温度,表面电阻率为4.6欧姆/ 。ITO /聚酰亚胺系统的透射系数在500 - 900纳米波长范围,相对应的光谱范围的光敏性cd / CdTe-based太阳能电池,是68.8%。在430°C在空气中退火后25分钟,伊藤的表面电阻率层上形成聚酰亚胺薄膜增加到11欧姆/ ;透射系数增加到72%。ITO层的光学和电子等参数可以使用它作为透明电极的设计高效灵活的cd / CdTe太阳能电池后面的配置。

实验结果表明,聚酰亚胺/ ITO / cd / CdTe /铜/ ITO太阳能电池承诺用于串联光电转换器的设计,因为它有一个足够高透光率系数在近红外区域。

基本层厚度为2.5μm,太阳能电池的平均透光率系数在850 - 1100纳米波长范围是46.8%,和一个基地层厚度为1μ达到55.2%的历史价值。

它已经建立,使用无掺杂层氧化锌100纳米的厚度允许灵活的效率提高聚酰亚胺/ ITO / cd / CdTe /铜/ ITO太阳能电池从9.2%提高到10.4%,在证明了实验观察到的效率提高是由于二极管饱和电流的密度下降。

的开发设计一个灵活的基于碲化镉太阳能电池由于使用梳子透明背景接触金属电极很容易与现有的设计界面上的柔性太阳能电池基于铜、铟联硒化物,它允许灵活的形成串联光电转换器CdTe / CuInSe₂。

数据可用性

在研究和分析获得的数据集已经可用。然而,如果有任何需要的信息/数据,这些从相应的作者可以获得一个合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

范围内的工作进行了科学研究在进行硕士论文的性能(Khrypunov M.G.和Khrypunova输液)。作者感谢国立技术大学的管理“哈尔科夫理工学院”支持这项工作的形式提供设备和用品。

引用

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