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　　2、能电池成本估算3.2.6.碲化镉太阳能电池优势与缺陷3.2.7 CdTe太阳电池的未来发展3.2.1 引言引言 碲化镉是属于碲化镉是属于-族的化合物半导体，它具有族的化合物半导体，它具有直接直接能隙能隙，其，其能隙值为能隙值为1.45eV,正好位于理想太阳电池的正好位于理想太阳电池的能隙范围之间。能隙范围之间。 CdTe也具有也具有很高的光吸收系数很高的光吸收系数（5105/cm）。）。仅仅仅仅2um厚的厚的CdTe薄膜，就已足够吸收薄膜，就已足够吸收AM1.5条件条件下下99%的太阳光。使得的太阳光。使得CdTe成为一个可以获得高效成为一个可以获得高效率的理想太阳电池材料之一。率的理想太阳电

　　3、池材料之一。 CdTe可利用可利用多种快速成膜技术制作多种快速成膜技术制作，由于模组化生，由于模组化生产容易，因此近年商业化的动作亦相当积极，产容易，因此近年商业化的动作亦相当积极，CdTe/glass已应用于大面积屋顶建材。已应用于大面积屋顶建材。 CdTe CdTe是一种化合物半导体，在太阳能电池中一般作吸收层。由于它的直接带隙为1.45eV，最适合于光电能量转换，因此使得约2m厚的CdTe吸收层在其带隙以上的光学吸收率达到90%成为可能，允许的最高理论转换效率在大气质量AM1.5条件下高达28%。碲化镉的性质及晶体结构碲化镉的性质 -族化合物中最高的平均原子数，最低的熔点，最大的晶格常数

　　4、和最大的离子性。CdTe具有闪锌矿（ZnS）结构，键长度2.806，晶格常数6.481。碲化镉的晶体结构CdTe薄膜式太阳电池发展历史薄膜式太阳电池发展历史 CdTe算是在薄膜式太阳电池中历史最久，算是在薄膜式太阳电池中历史最久，也是被密集探讨的半导体材料之一。也是被密集探讨的半导体材料之一。 1956年年RCA即提出使用即提出使用CdTe在太阳电池的在太阳电池的用途上用途上 在在1959年年RCA利用将利用将In扩散到扩散到p-型的型的CdTe做出约做出约2%的太阳电池。的太阳电池。 在在1979年时，法国的年时，法国的CNRS利用利用VTD法在法在n-型的晶片上长出型的晶片上长出p-型的型

　　5、的CdTe薄膜，而得薄膜，而得到到7%的太阳电池。的太阳电池。 除了以上这些同质除了以上这些同质p/n接面的发展外，从接面的发展外，从1960开始研开始研究究CdTe的异质结太阳电池扩散。的异质结太阳电池扩散。 最早期是在最早期是在n-型的型的CdTe晶片或多晶薄膜上晶片或多晶薄膜上，长上长上p-型的型的Cu2Te薄膜薄膜，这样，这样n-CdTe/p- Cu2Te太阳电池太阳电池在在1970年初期已可达到年初期已可达到7%的效率。的效率。 在在p-型单晶型单晶CdTe晶片上，晶片上，长上异质结的氧化物薄膜长上异质结的氧化物薄膜，例如例如In2O3:Sn(ITO)、ZnO、SnO2等也受到更广泛

　　6、等也受到更广泛的研究。例如在的研究。例如在1977年就有人开发出效率达到年就有人开发出效率达到10.5%的的p-CdTe/ITO太阳电池。太阳电池。 1987年已有人可以做出年已有人可以做出13.4%的的p-CdTe/ITO太阳太阳电池。电池。p-CdTe/n-CdS薄膜式太阳电池发展历史薄膜式太阳电池发展历史 p-CdTe/n-CdS太阳电池的发展最早可以太阳电池的发展最早可以追溯到追溯到1960年的中期年的中期 1977年就已经出现了年就已经出现了11.7%效率的效率的p-CdTe/n-CdS太阳电池。太阳电池。 于是这样的于是这样的p-CdTe/n-CdS结构变成最典结构变成最典型的型的

　　7、CdTe太阳电池太阳电池，它主体是由约，它主体是由约2um层层的的p-CdTe层与仅层与仅0.5um厚的厚的n-CdS形成，形成，光子吸收层主要发生与光子吸收层主要发生与CdTe层。层。 superstrate结构是在玻璃衬底上依次长上透明氧化层（TCO）、CdS、CdTe薄膜，而太阳光是由玻璃衬底上方照射进入，先透过TCO层，再进入CdS/CdTe结。而在substrate结构，是先在适当的衬底上长上CdTe薄膜，再接着长CdS及TCO薄膜。其中以superstrate的效率最高。3.2.2 碲化镉太阳能电池原理结构透明导电氧化层透明导电氧化层n型半导体型半导体p型半导体型半导体降低降低Cd

　　8、Te与金属电与金属电极接触势垒极接触势垒CdTe太阳电池的原理太阳电池的原理 光通过玻璃衬底进入电池。光子横穿光通过玻璃衬底进入电池。光子横穿TCO层和层和CdS层。层。这些薄膜虽然导致一些（不希望的）光吸收，但在光这些薄膜虽然导致一些（不希望的）光吸收，但在光伏电荷产生的过程中没有活性。伏电荷产生的过程中没有活性。 CdTe薄膜是这种电池的活性吸收层。电子薄膜是这种电池的活性吸收层。电子空穴对空穴对在接近结的区域产生。电子在内建场的驱动下进入在接近结的区域产生。电子在内建场的驱动下进入N型型CdS膜。膜。 空穴仍然在空穴仍然在CdTe内，空穴的聚集会增强材料的内，空穴的聚集会增强材料的P型电

　　9、型电导，最终，不得不经由背接触离开电池。电流由与导，最终，不得不经由背接触离开电池。电流由与TCO薄膜和背接触连接的金属电极来引出。薄膜和背接触连接的金属电极来引出。 由于由于CdTe对波长对波长低于低于800nm的光有很强的吸收的光有很强的吸收（105cm-1），薄膜几微米的厚度将足以完全吸收可），薄膜几微米的厚度将足以完全吸收可见光。因一些实际设计的应用，常常选用大约见光。因一些实际设计的应用，常常选用大约37um的厚度。的厚度。CdTe太阳电池的优点及太阳电池的优点及CdTe四个特殊的性质四个特殊的性质使用使用CdTe太阳电池的优点之一是，用来太阳电池的优点之一是，用来制造制造CdTe及

　　10、及CdS薄膜的技术相当多，而且大多适合大规模生产薄膜的技术相当多，而且大多适合大规模生产。CdTe四个特殊的性质，四个特殊的性质，n CdTe有一个有一个1.45eV的能隙，因此与太能辐射谱很好地的能隙，因此与太能辐射谱很好地适配。适配。n CdTe是是“直接直接”能隙，它导致很强的光吸收。能隙，它导致很强的光吸收。n CdTe强烈地趋向于生长成强烈地趋向于生长成P型的半导体薄膜，能和型的半导体薄膜，能和CdS形成形成PN异质结异质结（CdS具有略宽的能隙具有略宽的能隙2.4eV，在通常，在通常的沉积技术中生长成为的沉积技术中生长成为N型材料）。型材料）。n 已经开发出简单的、适合于低成本产品

　　11、的沉积技术。已经开发出简单的、适合于低成本产品的沉积技术。以成熟技术制备的以成熟技术制备的CdTe电池，可以期望电流密度达电池，可以期望电流密度达27mA/c，开路电压达，开路电压达880mV,从而从而AM1.5的效率为的效率为18%。 集中深入的研究已表明，下列太阳电池的基本集中深入的研究已表明，下列太阳电池的基本准则在工业生产的条件下也能够被满足：准则在工业生产的条件下也能够被满足：nCdTe薄膜中可迁移的少子能有效地产生。薄膜中可迁移的少子能有效地产生。n依靠依靠N型型CdS与与P型型CdTe之间之间PN结的内建电场，结的内建电场，载流子能有效地分开。载流子能有效地分开。n依靠与依靠与T

　　12、CO和背接触两种薄膜的欧姆接触，光和背接触两种薄膜的欧姆接触，光生电流能低损耗地引出。生电流能低损耗地引出。1. 对低成本高产量的制造，有简单的制备技术。对低成本高产量的制造，有简单的制备技术。 效率高于效率高于16%的太阳电池已经在实验室研制出来，的太阳电池已经在实验室研制出来，美国和德国有三家公司启动了工业化生产线。它美国和德国有三家公司启动了工业化生产线。它们的规模化生产目标是每年们的规模化生产目标是每年100000或者更多。或者更多。最先的大面积组件已经突破了最先的大面积组件已经突破了10%的效率大关。的效率大关。 3.2.2.1玻璃基板玻璃基板在玻璃基板的选用上，在玻璃基板的选用上，

　　13、使用耐高温使用耐高温（600）的硼玻璃作为基板，）的硼玻璃作为基板，转换效率可转换效率可达达16%，而使用，而使用不耐高温不耐高温但是成本较低的但是成本较低的钠玻璃作基板可达到钠玻璃作基板可达到12%的转换效率的转换效率。一般玻璃基板的一般玻璃基板的厚度厚度约在约在2-4mm左右，左右，它除了用来它除了用来保护太阳电池保护太阳电池活化层，使它不活化层，使它不会受到外在环境的侵蚀外，也提供了整个会受到外在环境的侵蚀外，也提供了整个太阳电池的太阳电池的机械强度机械强度。在玻璃基板的外层，。在玻璃基板的外层，有时也会镀上一层有时也会镀上一层抗反射层来抗反射层来增加对光线增加对光线的吸收。的吸收。 常

　　14、用的透明衬底就是玻璃。最便宜的常用的透明衬底就是玻璃。最便宜的钠钙玻璃钠钙玻璃或者或者窗窗玻璃玻璃也适用。也适用。 如果是用如果是用浮法制成的玻璃浮法制成的玻璃，那得到的，那得到的表面将非常平整表面将非常平整，很很适合薄膜的沉积适合薄膜的沉积，但是只能，但是只能限制在限制在520左右温度左右温度下处理。这种玻璃下处理。这种玻璃非常便宜非常便宜（低于（低于10美元美元/m2）,而而且可以不限量地购买切割好的、边缘经过处理的玻璃且可以不限量地购买切割好的、边缘经过处理的玻璃板。板。 如果需要更高的温度，第二个选择就是使用如果需要更高的温度，第二个选择就是使用硼硅玻璃硼硅玻璃。它能够在它能够在加热到

　　15、加热到600以上也不软化。但是以上也不软化。但是高昂的成高昂的成本本，是目前其工业化应用的障碍。一些研究小组已将，是目前其工业化应用的障碍。一些研究小组已将此种玻璃上制备的电池效率提高到此种玻璃上制备的电池效率提高到16.2%3.2.2.2透明氧化层（透明氧化层（TCO层层）在在CdTe太阳电池中所使用的透明导电氧化层太阳电池中所使用的透明导电氧化层（TCO），），通常是使用通常是使用SnO2或或In2O3:Sn（ITO）也有人采用）也有人采用Cd2SnO4。TCO是指在平板玻璃表面通过物理或化学镀是指在平板玻璃表面通过物理或化学镀膜方法均匀的镀上一层透明的导电氧化物薄膜膜方法均匀的镀上一层透

　　16、明的导电氧化物薄膜（Transparent Conductive Oxide）而形成的组件）而形成的组件， 它的作用是当成它的作用是当成正面的电极接触正面的电极接触之用。之用。透明导电膜既要满足为形成透明导电膜既要满足为形成低串联电阻低串联电阻而需的而需的高电导率高电导率，又要为获得高入射以保证高光电流而具有又要为获得高入射以保证高光电流而具有高透过率高透过率。目前，已有几种材料在使用，在为工业化应用而发展：目前，已有几种材料在使用，在为工业化应用而发展： ITO 在氧化物导电膜中，以掺在氧化物导电膜中，以掺Sn的的In2O3（ITO）膜的）膜的透过率最高和导电性能最好，而且容易在酸液中蚀刻透

　　17、过率最高和导电性能最好，而且容易在酸液中蚀刻出微细的图形。其透过率已达出微细的图形。其透过率已达90%以上，以上，ITO中其透中其透过率和阻值分别由过率和阻值分别由In2O3与与Sn2O3之比例来控制，之比例来控制，通常通常SnO2：In2O3=1：9。在在氧气氛氧气氛中中从从In和和Sn靶溅射靶溅射而成的而成的混合氧混合氧化物化物有更好的性能（不管是电导率还是透有更好的性能（不管是电导率还是透过率都比纯过率都比纯SnO2要好）。要好）。由于由于In的成本比较高，这种薄膜会贵的多。的成本比较高，这种薄膜会贵的多。由于由于In会在高温处理过程中会在高温处理过程中扩散进入扩散进入CdS/CdTe层

　　18、层，引入并不需要的，引入并不需要的N型型CdTe.，通常在，通常在ITO上沉积一层薄的纯上沉积一层薄的纯SnO2薄膜来防止薄膜来防止In扩散。扩散。SnO2SnO2薄膜可用常压下的喷雾法来制备。薄膜可用常压下的喷雾法来制备。SnCl4在水中在水中溶解溶解，然后在空气中，然后在空气中喷射喷射到热的到热的衬底衬底上。上。SnCl4热分解后与氧气形成热分解后与氧气形成SnO2薄膜，产生的薄膜，产生的HCl挥发。挥发。这种衬底是商业化生产的基础，目前许多太阳能生这种衬底是商业化生产的基础，目前许多太阳能生产商都在运用。产商都在运用。这种薄膜的面电阻率一般为这种薄膜的面电阻率一般为10，光透过率约为，光

　　19、透过率约为70%80%。另外一种沉积另外一种沉积SnO2的技术是的技术是氧气氛中氧气氛中Sn靶的阴极靶的阴极溅射溅射。虽然这种技术成本比喷雾法要高，但是薄膜。虽然这种技术成本比喷雾法要高，但是薄膜的质量要好一些。的质量要好一些。CdSn这种化合物可以用这种化合物可以用d的氧化物的氧化物与与Sn共溅共溅来得到。来得到。由于退火时需要较高的温度，因此不适合由于退火时需要较高的温度，因此不适合用便宜的钠钙玻璃。未来技术上的改进将用便宜的钠钙玻璃。未来技术上的改进将解决这一问题。解决这一问题。这种薄膜表现出这种薄膜表现出比比ITO更好的性质更好的性质。比如，。比如，同样的电阻率下同样的电阻率下透过率更

　　20、好透过率更好，或者同样的，或者同样的光透过率光透过率电阻率更小电阻率更小，使它成为工业化生，使它成为工业化生产的值得注意的备选材料。产的值得注意的备选材料。ZnO:Al 这种材料通常用做铜铟锡这种材料通常用做铜铟锡（CIS）薄膜太阳）薄膜太阳电池的透明接触层电池的透明接触层。 它可以用不同种类的它可以用不同种类的含有含有ZnO和和Al的靶溅的靶溅射射而成，而成，Al在在ZnO中作为施主。中作为施主。 不幸的是，不幸的是， ZnO:Al薄膜在薄膜在CdTe沉积过程沉积过程中（大于中（大于550）会由于热应力而）会由于热应力而丧失掺杂丧失掺杂性性。但是由于这种材料。但是由于这种材料成本比成本比IT

　　21、O低低，所，所以人们最终希望得到更稳定的该种薄膜。以人们最终希望得到更稳定的该种薄膜。 3.2.2.3、n-CdS层层 CdS的能隙的能隙Eg在室温约为在室温约为2.4eV，它，它不会吸收波长大不会吸收波长大于于515nm的太阳光的太阳光，所以在整个结构上它被视为，所以在整个结构上它被视为“窗窗口层口层”。 为了让整个太阳电池获得最高的电流密度，为了让整个太阳电池获得最高的电流密度，CdS必须必须相当薄相当薄（约（约0.5um）。）。 CdTe太阳电池的制作过程，通常会促进太阳电池的制作过程，通常会促进CdTe与与CdS界面之间的扩散现象界面之间的扩散现象，而，而在界面处形成在界面处形成CdT

　　22、e1-xSx的合金成分的合金成分。 这样的扩散反应，会导致这样的扩散反应，会导致CdS层的层的能隙的降低能隙的降低，使得，使得其对其对光线的穿透性降低光线的穿透性降低，而影响电池效率。不过这种，而影响电池效率。不过这种效应，可利用效应，可利用CdCl2处理处理来降低来降低 另外一个可以降低另外一个可以降低CdS层的吸收的方式，是将层的吸收的方式，是将CdS与与ZnS混合混合，以，以增加能隙增加能隙的大小。但这要配合使用的大小。但这要配合使用Cd2SnO4的的TCO层，及使用层，及使用Zn2SnO的的HRT层，才层，才能得到高效率的能得到高效率的CdTe太阳电池。太阳电池。 与与CdTe不同的是

　　23、，不同的是，CdS薄膜在非化学计量薄膜在非化学计量比的时候，比的时候，本身是本身是N型型。 CdS薄膜可以用与薄膜可以用与CdTe同样的方法沉积同样的方法沉积。因为它具有与因为它具有与CdTe非常相似的性质。非常相似的性质。 出于产业化的考虑，下面几种技术的研究出于产业化的考虑，下面几种技术的研究受到强烈的关注：受到强烈的关注：CdS薄膜沉积进技术薄膜沉积进技术升华升华/凝结，如窄间隔升华法和热壁升华法。凝结，如窄间隔升华法和热壁升华法。电沉积（电镀）电沉积（电镀）丝网印刷丝网印刷另外一种方法尤其适合另外一种方法尤其适合CdS化学浴沉积（化学浴沉积（CBD化学镀）。化学镀）。 这种方法是在这种

　　24、方法是在80左右的温度下，用含有左右的温度下，用含有Cd与与S的亚稳的亚稳态溶液反应，浸泡在溶液中的衬底表面形成比较薄的态溶液反应，浸泡在溶液中的衬底表面形成比较薄的CdS薄膜。薄膜。其化学反应式如下：其化学反应式如下： 这样形成的这样形成的CdS薄膜附着比较紧，而且，即使在膜较薄的情况薄膜附着比较紧，而且，即使在膜较薄的情况下也很均匀。下也很均匀。但有一个潜在的缺点，在但有一个潜在的缺点，在CdTe与与CdS之间形成的突变结时，之间形成的突变结时，CdS与与CdTe之间有明显的晶格失配。之间有明显的晶格失配。 化学浴沉积（化学浴沉积（Chemical bath deposition）是指）是

　　25、指将经过表面活化处理的衬底在沉积液中，不外加将经过表面活化处理的衬底在沉积液中，不外加电场或其它能量，在常压、低温（电场或其它能量，在常压、低温（3090）下）下通过控制反应物的络合和化学反应，在衬底上沉通过控制反应物的络合和化学反应，在衬底上沉积薄膜的一种薄膜制备方法。积薄膜的一种薄膜制备方法。3.2.2.4、p-CdTe层层 CdTe层跟层跟CdS一样具有多晶的结构，但通一样具有多晶的结构，但通常使用常使用p-型掺杂型掺杂。 它的能隙值为它的能隙值为1.45eV，正好，正好位于理想太阳位于理想太阳电池的能隙范围之间电池的能隙范围之间。 CdTe也具有也具有很高的吸光系数很高的吸光系数，所以

　　26、为吸收，所以为吸收层的最佳材料。层的最佳材料。 CdTe层的层的厚度厚度一般在一般在28um之间。之间。 大部分大部分CdTe薄膜的沉积技术，都依赖于下薄膜的沉积技术，都依赖于下述一个或两个性质：述一个或两个性质： 如果把如果把CdTe在真空状态下加热到在线，将会，将会分解出等量的分解出等量的Cd和和Te，剩余的残留物仍然是，剩余的残留物仍然是符合化学配比的符合化学配比的CdTe。 把凝结在衬底上的把凝结在衬底上的CdTe保持在保持在400以上（或以上（或者在沉积之后加热到这个温度），得到的化学者在沉积之后加热到这个温度），得到的化学计量比的化合物会是稳定的固相。计量比的化

　　27、合物会是稳定的固相。 这些性质使得生产这些性质使得生产CdTe薄膜相对容易，也更加薄膜相对容易，也更加适合制作薄膜太阳电池：只要衬底温度足够高，适合制作薄膜太阳电池：只要衬底温度足够高，不必在意符合化学配比。不必在意符合化学配比。 CdTe或者或者Cd+Te,或者有或者有Cd和和Te元素的可分解元素的可分解的化合物都可以作为的化合物都可以作为原始料原始料。 到达衬底上的到达衬底上的Cd和和Te化学计量比即使并非化学计量比即使并非1:1，只要衬底在实际的沉积期间或者之后被加热到只要衬底在实际的沉积期间或者之后被加热到400500或者更高，就会有符合（或接近）或者更高，就会有符合（或接近）化学计量

　　28、比的化学计量比的CdTe凝结。凝结。 在更高的温度下，粘附系数减小（重升华）。由于自然在更高的温度下，粘附系数减小（重升华）。由于自然形成的微小化学计量失配，造成形成的微小化学计量失配，造成Cd缺失，多半成为空缺失，多半成为空位，从而位，从而获得获得P型摻杂效应型摻杂效应。不用其他摻杂手段不用其他摻杂手段。典型。典型的摻杂水平大约的摻杂水平大约1015cm-3。 如果薄膜在较低的温度下沉积，那么就没有必要照顾化如果薄膜在较低的温度下沉积，那么就没有必要照顾化学计量比，但是可以通过加热形成符合化学计量比的化学计量比，但是可以通过加热形成符合化学计量比的化合物。这就使得有许多薄膜沉积技术可以应用。

　　29、合物。这就使得有许多薄膜沉积技术可以应用。 唯一的要求是唯一的要求是去除去除那些会危及本身那些会危及本身P型摻杂和载流子寿型摻杂和载流子寿命的命的干扰杂质干扰杂质。 工业上得到高纯度（达到工业上得到高纯度（达到99.999%）的这些元素和化）的这些元素和化合物是可能的，因为通过标准的冶金过程可以很容易把合物是可能的，因为通过标准的冶金过程可以很容易把Cd和和Te元素纯化。元素纯化。3.2.2.5、背面电极接触、背面电极接触 背面电极通常是使用背面电极通常是使用Ag或或Al，它提供，它提供CdTe电池的一电池的一个低电阻连接，但由于在个低电阻连接，但由于在p-CdTe上要形成好的欧姆上要形成好的

　　30、欧姆接触比较困难。因为背面电极的高导电性，所以它的接触比较困难。因为背面电极的高导电性，所以它的厚度通常要很薄才行。厚度通常要很薄才行。 大部分形成背面电极技术，都包括以下几个步骤：大部分形成背面电极技术，都包括以下几个步骤： 刻蚀刻蚀CdTe表面，以产生表面，以产生Te-riched的表面状态，因的表面状态，因此在此在CdTe于金属层之间产生于金属层之间产生p+的区域的区域，这层，这层p+区域区域可降低金属与可降低金属与CdTe之间的能量障碍。之间的能量障碍。 镀上镀上Ag、Al等金属层等金属层 在在150以上，做热处理以促进的形成。以上，做热处理以促进的形成。3.2.3 CdTe薄膜的制造

　　31、技术薄膜的制造技术 在过去一段时间里，人们已经进行了大量在过去一段时间里，人们已经进行了大量的薄膜沉积方法的研究，所有的这些研究的薄膜沉积方法的研究，所有的这些研究使得电池的效率已经超过了使得电池的效率已经超过了10%。但是，。但是，只有几种方法适合大规模生产。以下介绍只有几种方法适合大规模生产。以下介绍一些已经发展到工业化的方法。一些已经发展到工业化的方法。 关于关于CdTe太阳电池的薄膜制造，目前已有多种可行太阳电池的薄膜制造，目前已有多种可行的技术可以被采用，例如有的技术可以被采用，例如有物理气相淀积物理气相淀积、密闭空间密闭空间升华法升华法、气相传输淀积法气相传输淀积法、溅镀法溅镀法、

　　32、电解淀积法电解淀积法、网网印淀积印淀积法等。法等。 各方法各有其利弊得失，其中各方法各有其利弊得失，其中电解淀积法是最便宜的电解淀积法是最便宜的方法之一，同时也是目前工业界所采用的主要方法方法之一，同时也是目前工业界所采用的主要方法，淀积时温度较低，所耗用碲元素也最少。淀积时温度较低，所耗用碲元素也最少。 在在玻璃基板的选用玻璃基板的选用上，使用上，使用耐高温耐高温（600）的硼）的硼玻璃作为基板，转换效率可达玻璃作为基板，转换效率可达16%，而使用，而使用不耐高温不耐高温但是成本较低的钠玻璃基板也可达到但是成本较低的钠玻璃基板也可达到12%的转换效率。的转换效率。 物理气相淀积法（物理气相淀

　　33、积法（PVD）顾名思义是以物理机）顾名思义是以物理机制来进行薄膜淀积的制造技术，所谓物理机制制来进行薄膜淀积的制造技术，所谓物理机制是物质的相变化现象，例如进行蒸镀时蒸镀源是物质的相变化现象，例如进行蒸镀时蒸镀源由固态转化为气态再进行淀积，由固态转化为气态再进行淀积， 淀积出来的薄膜层的化学计量比较难控制的很淀积出来的薄膜层的化学计量比较难控制的很准确，这与每个元素的平衡蒸汽压及蒸镀源的准确，这与每个元素的平衡蒸汽压及蒸镀源的化学计量有相当大的关系。化学计量有相当大的关系。3.2.3.1 物理气相淀积法物理气相淀积法PVD法进行法进行CdTe或或CdS薄膜薄膜淀积反应是发生在一线、是发生在一线torr），所使用的），所使用的蒸发源蒸发源可为可为直接的直接的CdTe或或CdS化合物化合物，或，或各别的元素物各别的元素物质质（Cd+Te2，或，或Cd+S）。）。将蒸镀源加热到将蒸镀源加热到800，使之，使之挥发为气相分子，而以约挥发为气相分子，而以约1um/min的速率淀积在距离约的速率淀积在距离约20公分远的基板上。公分远的基板上。通常基板的温度要保持在相对通常基板的温度要保持在相对比较低的温度（比较低的温度（100），），这样这样Cd及及Te粘附系数才会接粘附系数才会接近于近于1.越高的基板温度，粘附越高的基板温度，粘附系数越低，因此淀积速率也变系数越低

　　35、，因此淀积速率也变慢。但是越低的温度会得到越慢。但是越低的温度会得到越小的多结薄膜晶粒。所以一般小的多结薄膜晶粒。所以一般应用上基板的温度都不会超过应用上基板的温度都不会超过400。3.2.3.2 真空沉积一升华真空沉积一升华/凝结（真空升华法）凝结（真空升华法）真空升华法（真空升华法（Close-space sublimation，CSS）是目前被用来）是目前被用来生产高效率生产高效率CdTe薄膜最主要的方法。薄膜最主要的方法。蒸镀源是被置于一与基板同面积的容器内，基板与蒸镀源之间蒸镀源是被置于一与基板同面积的容器内，基板与蒸镀源之间的距离相当接近，而且两者之间的温度差异比较小，所以可以的距

　　36、离相当接近，而且两者之间的温度差异比较小，所以可以淀积出比较接衡状态的淀积出比较接衡状态的CdTe薄膜。薄膜。使用化学计量准确的蒸镀源也可得到化学计量准确的使用化学计量准确的蒸镀源也可得到化学计量准确的CdTe薄膜。薄膜。因此，一般基板的温度可以控制在因此，一般基板的温度可以控制在450600之间，而高品之间，而高品质的薄膜可以在大于质的薄膜可以在大于1um/min的速率淀积得到。的速率淀积得到。 将将粉末或者颗粒状的固体粉末或者颗粒状的固体CdTe材料在真空中升华，材料在真空中升华，然后凝结在然后凝结在450600的衬底上的衬底上。 目前已经发展了许多不同种类的可商业化的方法，这目前

　　37、已经发展了许多不同种类的可商业化的方法，这些方法已经达到很高的沉积速率（些方法已经达到很高的沉积速率（10um/min），而），而且适合用低成本和对真空要求不高的系统进行流水线且适合用低成本和对真空要求不高的系统进行流水线生产。生产。 这种方法确实有很高的材料产出，因为要力图让这种方法确实有很高的材料产出，因为要力图让材料材料仅仅凝结在衬底上仅仅凝结在衬底上，要么是衬底与原材料之间的距离，要么是衬底与原材料之间的距离很近（很近（近空间升华近空间升华），要么防止它沉积在器壁上，使），要么防止它沉积在器壁上，使后者的温度始终高于后者的温度始终高于600。 在美国和德国已经建成了两座利用近空间升华法

　　38、的工在美国和德国已经建成了两座利用近空间升华法的工厂。他们已经开始生产和销售组件。厂。他们已经开始生产和销售组件。3.2.3.3 气相传输淀积法（气相传输淀积法（ VTD） 固态的固态的CdTe原料放在容器内，因受热而挥发出原料放在容器内，因受热而挥发出CdTe蒸汽，然蒸汽，然后这些后这些CdTe蒸汽会随着传输气体（蒸汽会随着传输气体（N2、Ar、He、O2等）而等）而传送到基板表面，过饱和的传送到基板表面，过饱和的Cd与与Te会凝缩而淀积在基板表面形会凝缩而淀积在基板表面形成成CdTe薄膜。薄膜。利用利用VTD方法可以得到约与薄膜厚度相当的晶粒大小，而且淀方法可以得到约与薄膜厚度相当的晶粒大

　　39、小，而且淀积速率相当快。积速率相当快。气相传输淀积法气相传输淀积法（Vapor transport deposition）简称）简称VTD。3.2.3.4 溅镀法溅镀法所谓溅镀法（所谓溅镀法（sputtering deposition），乃是利用等离子），乃是利用等离子中的高能离子（通常是由电场中的高能离子（通常是由电场加速的正离子，如加速的正离子，如Ar+），在），在磁铁产生的磁力线的作用下，磁铁产生的磁力线的作用下，加速撞击加速撞击CdTe靶材表面。借由靶材表面。借由动量转换，将动量转换，将CdTe表面物质溅表面物质溅出，而后在基板上淀积形成薄出，而后在基板上淀积形成薄膜。膜。通常淀积反应

　　40、是发生在低于通常淀积反应是发生在低于300的基板上，而炉内压力的基板上，而炉内压力约在约在10mtorr左右。左右。在在200淀积淀积2um的的CdTe薄膜，薄膜，所得到的晶粒大小约在所得到的晶粒大小约在300nm左右。左右。3.2.3.5、 电解淀积法电解淀积法电解淀积法是将含有电解淀积法是将含有Cd2+及及HTeO2+ 电解液进行化学还电解液进行化学还原反应，而得到原反应，而得到Cd及及Te并淀并淀积而成积而成CdTe薄膜。薄膜。这样的电解还原及淀积反应，这样的电解还原及淀积反应，可由以下三个化学反应式来可由以下三个化学反应式来表示。表示。利用控制电解液内部的利用控制电解液内部的Cd及及T

　　41、e含量，可由控含量，可由控制所生长出来的薄膜的化学计量组成。制所生长出来的薄膜的化学计量组成。 在含有在含有Cl基化合物条件下退火后，晶粒变大，掺基化合物条件下退火后，晶粒变大，掺杂转变为杂转变为P型，且电导率提高了。型，且电导率提高了。 电压施加在衬底上的透明导电膜上，而且必须在电压施加在衬底上的透明导电膜上，而且必须在整个被淀积表面非常均匀。这就需要较低的沉积整个被淀积表面非常均匀。这就需要较低的沉积电流密度，从而导致较低的沉淀速率。电流密度，从而导致较低的沉淀速率。 这可以通过把大量衬底并列起来沉积的高生产率这可以通过把大量衬底并列起来沉积的高生产率来弥补。来弥补。 在美国，已经建成了一

　　42、座生产工厂，目前正在扩在美国，已经建成了一座生产工厂，目前正在扩大生产量。大生产量。3.2.3.6 、喷涂淀积法喷涂淀积法 喷涂淀积法（喷涂淀积法（Spray deposition）的做法，是先在）的做法，是先在室室温下将含有温下将含有CdTe、CdCl2及丙二醇的化学浆料喷涂在及丙二醇的化学浆料喷涂在基板基板上，然后在上，然后在经过几道高温热处理经过几道高温热处理及及致密化机械过致密化机械过程程，而得到具有多孔结构的，而得到具有多孔结构的CdTe薄膜。薄膜。 用喷雾器把含有用喷雾器把含有Cd和和Te的可热分解化合物的水雾喷的可热分解化合物的水雾喷射到热的衬底上，释放出来的元素形成射到热的衬底

　　43、上，释放出来的元素形成CdTe。 这种不需要真空设备的方法已经得到了发展，并应用这种不需要真空设备的方法已经得到了发展，并应用在生产线上。在生产线上。 一个工业风险投资机构在美国建立了第一个示范工厂，一个工业风险投资机构在美国建立了第一个示范工厂，并随后被销售。并随后被销售。3.2.3.7 、有机金属化学气相淀积法有机金属化学气相淀积法 有机金属化学气相淀积法（有机金属化学气相淀积法（MOCVD），是使含），是使含有有Cd和和Te的有机金属例如二甲基镉及二异丙基碲，的有机金属例如二甲基镉及二异丙基碲，在反应炉中进行分解反应，并淀积在基板上得到在反应炉中进行分解反应，并淀积在基板上得到CdTe薄

　　44、膜。淀积速率与基板的温度有关。薄膜。淀积速率与基板的温度有关。3.2.3.8、 丝网印刷淀积法丝网印刷淀积法 丝网印刷淀积法算是生产丝网印刷淀积法算是生产CdTe及及CdS薄膜最简单的薄膜最简单的方法，它是方法，它是将含有将含有Cd、Te、CdCl2及含有有机合剂的及含有有机合剂的金属膏金属膏，通过一，通过一印刷板而印制到基板上印刷板而印制到基板上，再经过，再经过干燥干燥过程去除有机溶剂后，接着加温到过程去除有机溶剂后，接着加温到700左右做左右做烧结烧结反应，最后得到约反应，最后得到约1020um的再结晶的的再结晶的CdTe薄膜。薄膜。 将含有将含有Cd和和Te的浆料通过丝网印刷到衬底上，然

　　45、后的浆料通过丝网印刷到衬底上，然后在加入在加入CdCl2的热反应中转换成的热反应中转换成CdTe。由于膜的多孔。由于膜的多孔性，为使电池很好地运行，需要相对厚的涂层。性，为使电池很好地运行，需要相对厚的涂层。 这个技术目前已经商业化，并且每年约这个技术目前已经商业化，并且每年约1MWp的规模的规模进行生产。小组已在生产，并且已有消费者在使用。进行生产。小组已在生产，并且已有消费者在使用。而大面积而大面积 高效率高效率 低成本的电池是否适合用此方法仍低成本的电池是否适合用此方法仍有很多疑问。有很多疑问。 CdCl2处理处理 几乎所有淀积技术所用到的几乎所有淀积技术所用到的CdTe薄膜，都必须经过

　　46、薄膜，都必须经过CdCl2处理，才能处理，才能得到结构比较完美、晶粒比较大的得到结构比较完美、晶粒比较大的薄膜薄膜。而。而未经过未经过CdCl2处理过的处理过的CdTe的太阳电池，的太阳电池，仅仅能产生非常小的短路电流能产生非常小的短路电流。 将将CdTe薄膜置于约薄膜置于约400的的CdCl2环境之下，它会发环境之下，它会发生以下的反应生以下的反应 CdCl2的存在促进了的存在促进了CdTe的再结晶过程的再结晶过程。不仅比较。不仅比较小小的晶粒便消失的晶粒便消失了，连带着了，连带着CdTe与与CdS的界面的界面结构也结构也变得比较有秩序。变得比较有秩序。 基片清洗透明导电膜处理激光刻划衬底清

　　47、洗沉积硫化镉沉积碲化镉热处理制备背接触激光刻划沉积背电极电联结初测封装检测其中的关键工艺为：沉积硫化镉：化学浴沉积。用氯化镉、硫脲、氯化铵、胺水等，在80-90的温度下进行。沉积碲化镉：近空间升华法沉积（CSS）。采用碲化镉粉作源材料，用氩气保护，在560左右下进行。制备背接触：用共蒸发沉积碲化锌作背接触层，源材料分别为铜和碲化锌粉，在室温下进行真空蒸发。背电极：用电子束蒸发镀镍作背电极。3.2.4碲化镉薄膜太阳电池制造工艺四川阿波罗碲化镉薄膜太阳电池生产工艺流程图 CdTe太阳电池模组太阳电池模组 CdTe表面太阳电池的模组结构示意图，它是利用表面太阳电池的模组结构示意图，它是利用在同一基板

　　48、上做电池与电池的串接，也就是所谓在同一基板上做电池与电池的串接，也就是所谓的的“monolithic inerconnection”。因此。因此CdTe表面表面太阳电池可以连续式的在一条生产线上制造出来太阳电池可以连续式的在一条生产线上制造出来 CdTe太阳电池模组的制造流程生产电池和组件的各个步骤生产电池和组件的各个步骤1）选择衬底玻璃，通常用钠钙玻璃作为衬底。）选择衬底玻璃，通常用钠钙玻璃作为衬底。2）透明导电膜的沉积（）透明导电膜的沉积（ITO等）。等）。3）将）将TCO膜刻划成平行的条带，以此确定单元电池。对有的工艺过程，这膜刻划成平行的条带，以此确定单元电池。对有的工艺过程，这一步可

　　49、能要晚一些，一般是在半导体薄膜沉积后。一步可能要晚一些，一般是在半导体薄膜沉积后。4）沉积尽可能薄的）沉积尽可能薄的CdS膜，一般是膜，一般是100nm。5)根据产品的性质选择沉积根据产品的性质选择沉积CdTe的方法。的方法。6）在）在CdCl2的作用下于的作用下于400左右活化膜层。左右活化膜层。7）实施第二次刻划，划开半导体薄膜以露出）实施第二次刻划，划开半导体薄膜以露出TCO膜。步骤膜。步骤3可并行进行，可并行进行，此后，这条刻线就必须填充绝缘体。此后，这条刻线）采用背接触结构。由一系列步骤实现，即蚀刻形成富）采用背接触结构。由一系列步骤实现，即蚀刻形成富Te区区使用

　　50、缓冲层使用缓冲层使用金属背电极。使用金属背电极。9）将邻近电池的背电极分割开。）将邻近电池的背电极分割开。10）接触汇流条结构的焊接。）接触汇流条结构的焊接。11）使用恰当的塑料（如）使用恰当的塑料（如EVA或者热塑性薄膜）层压第二块玻璃（或塑或者热塑性薄膜）层压第二块玻璃（或塑料）；事先将接触带穿过覆盖玻璃的小孔。料）；事先将接触带穿过覆盖玻璃的小孔。12）安装电极盒。作为商业化应用，在这个电极盒里，用一个合适的插座，）安装电极盒。作为商业化应用，在这个电极盒里，用一个合适的插座，将易断裂的组件引出带和稳定的电缆连接。将易断裂的组件引出带和稳定的电缆连接。13）用太阳模拟器测试每个组件的效率

　　51、。）用太阳模拟器测试每个组件的效率。10MW的生产线的生产线(ANTEC Solar )该沉积线可看成是一条两部生产线，由该沉积线可看成是一条两部生产线，由全自动沉积线和半全自动沉积线和半自动组装生产线构成自动组装生产线cm玻璃衬底上玻璃衬底上制备集成组件，后者包括封焊、接电极、测试以及将组件制备集成组件，后者包括封焊、接电极、测试以及将组件封装成可销售的产品。封装成可销售的产品。全自动流水线沉积过程分为全自动流水线个步骤：个步骤：n 衬底的清洗（浮法玻璃）。衬底的清洗（浮法玻璃）。n 在在250下沉积透明导电膜（下沉积透明导电膜（ITO+SnO

　　52、2）。）。n TCO膜的刻划（以确定电池和今后互连）。膜的刻划（以确定电池和今后互连）。n 在在500下用窄间隔升华法沉积下用窄间隔升华法沉积CdS和和CdTe。n 活化活化(在在Cl氛围中以氛围中以400退火，改进结的性能退火，改进结的性能)。n 湿法化学法刻蚀，以制备电极（产生富湿法化学法刻蚀，以制备电极（产生富Te层）。层）。n 机械刻线以进行电池互连。机械刻线以进行电池互连。n 溅射沉积两层背接触。溅射沉积两层背接触。1.机械刻线以分割和连接电池。机械刻线以分割和连接电池。 大部分工位都由加热和冷却装置相连接，以便在沉积时玻璃板能达到合适的温度。这些装置占据了设备总长度的大部分。半导体

　　53、薄膜沉积过程中所达到的最高温度（500）与玻璃的稳定性匹配。 自动沉积生产线m。玻璃板（要成为组件）是通过传达系统自动运送的，整个过程不会有人的手接触，这些玻璃板每30个装成一盒，然后输运到相邻的大厅里的组装线上。组装生产线在组装生产线上，将衬底（一个衬底上的电池互连成若干组，一组通常称为“次组件”）镀上电极，封焊，以方便发电系统使用。工厂的这部分由以下步骤组成：n 封装玻璃的清洗（浮法玻璃）。n 将电极汇流条沉积在组件上。n PV功能检测，为进一步加工排除组件次品。n 将EVA薄膜切割成一定尺寸。n 连接组件、EVA薄片和表面玻璃。n 层压（6个组件为一组）。n 填充玻璃盖片的

　　54、电极孔。n 电极盒的连接。n PV性能的定量测试（每组3个组件）。n 附上打印的标签。1. 分类、选择、装箱分派。 由于工序繁杂，因此组装线需要一些手工操由于工序繁杂，因此组装线需要一些手工操作与调整。下图显示的是不同过程的平面布作与调整。下图显示的是不同过程的平面布置。置。 每条生产线都安装在一个单独的厅里。两个每条生产线都安装在一个单独的厅里。两个厅用一条传送组件的通道连接，缓冲站是在厅用一条传送组件的通道连接，缓冲站是在后一道工序出现故障时，将部分完工的组件后一道工序出现故障时，将部分完工的组件移开，避免在前一道工序发生碰撞。整个生移开，避免在前一道工序发生碰撞。整个生产线、组装线的生产速度，基产线，包括沉积线与组装线的生产速度，基本限定在每年本限定在每年120000个组件。也就是说生个组件。也就是说生产线的直线输送速度产线m/min。产品合格证产品合格证 由于光伏组件要长时间在比较恶劣的环境中使用，因由于光伏组件要长时间在比较恶劣的环境中使用，因此必须保证其能够使用大约此必须保证其能够使用大约20年的时间。为了达到年的时间。为了达到这一标准，国际标准协会（这一标准，国际标准协会（IEC，国际电子技术委员，国际电子技术委员会）设计了全球范围有效的国际标准。会）设计了全球范围有效的国际标准。 关于薄膜组件的标准是关于薄膜组件的标准是IEC6164

　　56、6，即地面用薄膜，即地面用薄膜光伏组件光伏组件设计合格和型号标准。这个标准于设计合格和型号标准。这个标准于1996年公布，最初设置该标准是针对非晶硅太阳电年公布，最初设置该标准是针对非晶硅太阳电池组件。池组件。 组件在完成组件在完成IEC61646检验后，还需要分别进行大检验后，还需要分别进行大量的更加细致的测试才能达标。量的更加细致的测试才能达标。组件测试组件测试性能试验性能试验标准测试条件下的功率输出标准测试条件下的功率输出标准运行条件下的功率输出标准运行条件下的功率输出低光条件下的功率输出（低光条件下的功率输出（20%）耐久性测试耐久性测试长时间户外暴露长时间户外暴露灯光照射灯光照射温度

　　57、冲击温度冲击温温热试验热试验机械试验机械试验机械负荷机械负荷扭曲试验扭曲试验冰雹试验冰雹试验电学试验电学试验绝缘试验绝缘试验浸水试验浸水试验3.2.5碲化镉太阳能电池成本估碲化镉太阳能电池成本估算算注：注： 成本计算依据成本计算依据电池结构为电池结构为玻璃玻璃/SnO2/SnO2：F /CdS/CdTe/ZnTe/ZnTeF /CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe：Cu/NiCu/Ni碲化碲化镉镉薄膜的厚度薄膜的厚度为为5 5微米微米转换效率转换效率7%7%， 1MW碲化镉薄膜太阳能电池所消耗的材料的成本 可见，碲化镉和透明导电玻璃构成材料成本的主体，分別占到消耗材料总成本的45.4%和38.

　　58、2%。如将碲化镉薄膜的厚度减薄1微米，则碲化镉材料的消耗将降低20%，从而使材料总成本降低9.1%，即从每峰瓦6.21 元降为5.64元。如使用99.999%纯度的碲化镉，效率依然能达到7%，材料成本还将进一步降低。 3.2.6.碲化镉太阳能电池优势与缺陷碲化镉太阳能电池优势与缺陷碲化镉薄膜太阳能电池在工业规模上成本大大优于晶体硅和其他材料的太阳能电池技术，生产成本仅为0.87美元/W。其次它和太阳的光谱最一致，可吸收95%以上的阳光。工艺相对简单，标准工艺，低能耗，无污染，生命周期结束后，可回收，强弱光均可发电，温度越高表现越好。缺陷 第一，碲原料稀缺，无法保证碲化镉太阳能电池的不断增产的需

　　59、求。 第二，镉作为重金属是有毒的。碲化镉太阳能电池在生产和使用过程中的万一有排放和污染，会影响环境3.2.7 CdTe太阳电池的未来发展太阳电池的未来发展CdTe太阳电池的推广，必须仰赖电池效率的改善、成本的降低、太阳电池的推广，必须仰赖电池效率的改善、成本的降低、及模组的稳定性等。及模组的稳定性等。除了单结电池的效率提升外，使用多元合金的除了单结电池的效率提升外，使用多元合金的-族化合物来改族化合物来改变能隙大小，以发展高效率的多结太阳电池是未来努力的方向。变能隙大小，以发展高效率的多结太阳电池是未来努力的方向。此外，发展连续式的模组生产制程，及在同一基板上开发此外，发展连续式的模组生产制程

　　60、，及在同一基板上开发monolithic多结面模组，可以显著的降低制造成本。多结面模组，可以显著的降低制造成本。使用三元化合物使用三元化合物Cd1-xZnxTe做成的做成的CdS/Cd1-xZnxTe太阳电池太阳电池也受到广泛的研究，目前已有人做到大于也受到广泛的研究，目前已有人做到大于12%的效率（在的效率（在0 x0.1的条件之下，的条件之下，1.5eVEg1.58Ev 。由于由于CdTe太阳电池模组化生产容易，因此近年商业化的动作亦相太阳电池模组化生产容易，因此近年商业化的动作亦相当积极，当积极，CdTe/Glass已应用于大面积屋顶建材。已应用于大面积屋顶建材。主要主要CdTe太阳电池

　　61、厂商包括太阳电池厂商包括First Solar、Antec Solar等，目前等，目前虽已有商品生产，但规模还不算太大。虽已有商品生产，但规模还不算太大。作业 碲化镉被广泛应用的原因是什么？碲化镉被广泛应用的原因是什么？ p-CdTe/n-CdS太阳电池的典型结构太阳电池的典型结构 了解了解p-CdTe/n-CdS太阳电池的原理太阳电池的原理. CdTe薄膜的制造技术有哪些？薄膜的制造技术有哪些？ 请进行描述进行请进行描述进行CdCl2处理的目的。处理的目的。 了解构成了解构成CdTe太阳电池的材料有什么特性太阳电池的材料有什么特性及形成方法及形成方法 掌握掌握CdTe太阳电池模组的结构及形成过程太阳电池模组的结构及形成过程 了解薄膜组件的检测标准。了解薄膜组件的检测标准。

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