碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池及其光学检测(下)

　ｌ滞矧　；　…　薄膜太阳电池系列讲座（５）　碲化镉（ＣｄＴｅ）薄膜太阳电池　及其光学检测（下）　密歇根大学电密歇根大茎呈旱子工程与计算机科学系　雩　譬　萋　・李剑　…　　图４碲化镉薄膜的生长条件除了氩气压强在　２．５～５０ｍＴｏｒｒ范围内变化外，其他沉积条件都保　持一样。从图中可以看到：（１）所有薄膜在沉积初　期（体层１～２ｎｍ厚）都有相对较厚的表面粗糙层。　这时沉积下来的碲化镉容易聚成“岛”状而不是平　铺成层状，“岛”的高度随氩气压强增加而单调增　加；（２）体层厚度２～１０ｎｍ之间，上述分离的岛状　沉积体扩大后相互接触，底部变成了连贯的体层，　因此表面粗糙层厚度降低；（３）体层厚度１０ｎｍ以　上，表面粗糙层的厚度再次增加，而且增加的速率　随氩气压强而明显不同。在２．５～１４ｒｅＴｏｒｔ范围内，　表面粗糙层厚度随氩气压强增加而单调增加（差别　达１０倍左右），而在１４～５０ｍＴｏｒｒ范围内，表面粗　糙层厚度随氩气压强增加而单调减少。有趣的是，　用这套沉积系统制作高效碲化镉电池的最佳氩气　压强正是在表面粗糙层厚度发生变化的交界压强　图５原位椭偏学检测得到的硫原子扩散进入碲化镉（上）及　１４ｍＴｏｒｒ附近（１０～１８ｍＴｏｒｒ）。这其中内在的联系　碲原子扩散进入硫化镉（下）的原子比例随上层材料厚度的分　布（溅射沉积条件参考…】）　目前还不太清楚。图４中体层厚度５０ｎｍ左右曲线　的不连续性，是由于试验中在这个厚度沉积曾暂　正是Ｐ—ｎ结的位置所在，其性质对整个器件的成败　停下来，以便精确测量薄膜光学性质随温度的变　至关重要。原位实时椭偏学的观测表明，在图５对　化。在这个过程中一部分碲化镉升华。从这个不连　应的生长条件下，如果在硫化镉层上生长碲化镉　续性也可以看出原位椭偏学的高灵敏度。　（衬底朝上型电池，参见图５的上半部分），则硫原　除了对薄膜厚度的观测以外，原位椭偏学还　子会扩散到碲化镉层，形成ＣｄＴｅ　Ｓ　。其中Ｘ在碲　能充分发挥其对材料表面光学性质的高度敏感而跟　化镉层生长了ｌＯｎｍ后仍然达到２％左右；如果生　踪薄膜表面层的化学成分。例如，在碲化镉电池　长顺序相反，即在碲化镉层上生长硫化镉（衬底朝　中，硫化镉层的厚度远小于碲化镉层，它们的界面　下型电池，参见图５的下半部分），碲原子也会扩散　———　—一　ＳＯＬＡＲ　ＥＮＥＲＧＹ　１９／２０１１　到硫化镉层，但其原子比例在硫化镉层达到生长了　８ｎｍ左右就接近零¨”。由此可见硫原子在碲化镉中　性。图６显示的是用这一方法得出的碲化镉和硫化　镉的　随１／２，的分布。可以看到，式（３）所预测的线　性关系得到了较好的满足。从相应的线性拟合得到　的斜率，可以计算出图中显示的导带电子Ｕｇ　（空穴　的扩散性能要好于碲原子在硫化镉中的扩散性能。　除了薄膜生长实时动态过程的观测以外，原　位光学检测得到的材料光学性质也很有价值，可　的　较小，对ｒｎ的贡献远小于导带电子　）。　以用来做更深一步的分析，从而了解材料的其他　性质。图１中的复介电常数曲线都是在原位椭偏学　测量中得到的。可以看到，图ｌ（ａ）和（ｂ）中两种材料　的临界点的尖锐程度，或峰的宽度都有明显区别，　这反映出材料内缺陷密度的区别。理论上，临界点　附近的价带顶电子吸收能量等于导带一价带能量　差（称为“临界点能量”）的入射光子后就跃迁到对　应的导带，产生电子空穴对即光生载流子，并可以　在理想晶格的较大空间范围内自由移动。但材料　内的缺陷以及晶格振动（即声子）都会对载流子进行　二　：≥　ｏ　散射，从而缩短载流子的寿命。根据量子力学的测　０　．　不准原理，载流子能量的不确定性与其寿命成反　比。因此，内缺陷密度较高的材料，其载流子能量　：　．．　×ｌ０　的不确定性比较大；直观上，其介电常数曲线中的　临界点宽度比较宽。理论计算表明：　０　Ｏ８　＿：－●　　ｔｉｎ　ａｒ。　’ｉｆｔ尊　　。Ｉｉ　’　。　。　争：。　：　’　０　０４　．±　ｏ　￣２　．３￣１０ｓ　．．．．：　　厂ｎ＿厂ｂｎ＋　（３）　Ｏ　２　４　６　８　１Ｏ　１　２　１／　１０。１ｌ／ｎｉｎ　其中：　表示多晶材料中第ｎ个临界点的宽　图６碲化镉（下）及硫化镉（上）的临界点宽度随平均散射源　度；厂ｈ　表示相同测量温度下对应单晶材料的第ｎ　距离的分布（电子群速通过线性拟合的斜率及式（２）计算所　个临界点宽度（理论上而言，理想晶格在绝对零度　得。溅射沉积条件参考［１　５】）　时厂ｂｎ应该为零）；ｈ为普朗克常数；ｕ　是第ｎ个临　界点对应的载流子的群速熙　是散射源之间的平　五结语　碲化镉薄膜太阳电池是第二代光伏器件中很　均距离［　。在多晶薄膜材料中，除非晶粒内有高密　有前景的一项技术。理论计算和实验经验都表明，　度的缺陷，否则　可近似认为与平均晶粒尺寸相　把单结碲化镉电池的能量转换效率提高到２０％左　当，因为这时晶界散射很可能是载流子散射的主　右是完全有可能的【’，－－。当然，这需要对材料的物　要机制。　理、化学性质和薄膜的生长过程进行更加深入细　式（３）中的　和厂ｈ　可以通过对相应材料的复　致的研究。以椭偏学为代表的光学检测手段为这　介电常数曲线进行拟合得到　】。如果能带形状的细　种研究提供了一种独特而有力的工具。　节结构已知，则可以推算出　，进而通过式（３）而　得到　；反过来，如果　已知，则可以通过式（３）而　参考文献　得到　。而且式（３）适用于同一材料的多个临界点　【Ｉ］Ｇｒｅｅｎ　Ｍ　Ａ，Ｅｍｅｒｙ　Ｋ，Ｈｉｓｈｉｋａｗａ　Ｙ，ｅｔ　ａ１．Ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　（对应不同ｕ　），因此可用来检验分析方法的一致　ｔａｂｌｅｓ（ｖｅｒｓｉｏｎ　３７）［Ｊ】．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１１，１９（１）：８４—９２．　（转第１６页）　———　一　ＳＯＬＡＲ　ＥＮＥＲＧＹ　１９／２０１１　一　强　豫　矧　ｍ　群　艄…　溉　”　艄　豫　鎏　蕊　型　羔型　兰　兰兰鲨量　蔓羔　兰　热水瓦（图３）。对于一些平板太阳能集热器制造企　太阳能与建筑一体化会越来越受到重视，太阳能　业来说，他们具有“天生”的独特优势，太阳能热　水瓦可以走建材的销售渠道，避开红海，另辟蹊　径，开避属于自己的蓝海市场。　热水瓦也将开辟一个全新的太阳能热利用应用领　域，具有广泛的发展空间和巨大的市场潜力。如果　说有房就有顶，有顶就有热水瓦，那市场潜力更是　不可估量。　九结语　太阳能热水瓦的出现使太阳能与建筑一体化　从一个艰难漫长的“相加”过程转变为“相融”。如　果能将太阳能热水瓦纳入绿色建筑与建筑节能体　系，成为绿色建筑与建筑节能的一个标准化部件，　成为绿色建筑与建筑节能的有机构成要素，那么　图３太阳能热水瓦与建筑一体化的应用例图　相关规划和设计单位就可以从规划、设计开始将　太阳能热水瓦的特性决定了其可以成为太阳　太阳能热水瓦作为一个不可或缺的结构要素考虑　能与建筑一体化的有效实施载体，太阳能热水瓦　进去，尽可能将包括太阳能热水瓦在内的整个太　是一种节能、惠民、绿色、低碳、安全的能源产品，　阳能热水系统融入绿色建筑与建筑节能中去，使　是绿色建筑与建筑节能的首选构件。目前，我国建　安全能源得到最大化的利用，使太阳能热水瓦成　筑能耗占社会整体能耗的比例不断扩大，推行建　为绿色建筑与建筑节能不可分割的一部分，真正　筑节能已经势在必行。太阳能与建筑一体化是未　实现太阳能与建筑一体化。　来绿色建筑与建筑节能的一个必然趋势，太阳能　实现太阳能与建筑一体化的和谐之美，大力　与建筑一体化的道路也必然会经历一个漫长的新　开发太阳能安全能源的利用形式，持续推动绿色　品推广、初期应用、技术升级、发展完善的过程。　建筑与建筑节能工作，对于贯彻落实科学发展观，　伴随着人们对于绿色建筑与建筑节能的追求、　建设资源节约型、环境友好型社会，促进经济可持　低碳生活的渴求以及对高品位热水生活的需求，　续发展有着重要的意义。圈　（接第ｌ１页）　【２】Ａｖｒｕｔｉｎ　Ｖ，Ｉｚｙｕｍｓｋａｙａ　Ｎ，Ｍｏｒｋｏｑ　Ｈ．Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ：　ｗｉｈｔ　ｓｐｉｎ—ｏｒｂｉｔ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ【Ｊ１．Ｐｈｙｓｉｃａ　ｓｔａｔｕｓ　ｓｏｌｉｄｉ（ｂ），１９８０，９８（２）：　Ｒｅｃｅｎｔ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ【Ｊ】．Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ　ａｎｄ　５０７——５１６．　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１　１，４９（４）：３３７—３６４．　【９］Ｗｕ　Ｘｕａｎｚｈｉ．Ｈｉｇｈ—ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａＵｉｎｅ　ＣｄＴｅ　ｔｈｉｎ—ｉｆｌｍ　［３】Ａｎｔｏｎｉｏ　Ｌｕｑｕｅ，Ｓｔｅｖｅｎ　Ｈｅｇｅｄｕｓ．Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｓｃｉ—　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ｓｏｌｒａ　Ｅｎｅｒｇｙ，２００４，７７（６）：８０３—８　１４．　ｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｍ］．Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ　Ｌｔｄ．２００３：６１７—６６２．　［１０］Ｓｔｏｋｅ　Ｊ　Ａ，Ｐｏｄｒａｚａ　Ｎ　Ｊ，Ｌｉ　Ｊｉｎａ，ｅｔ　１ａ．Ａｄｖａｎｃｅｄ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｐｈａｓｅ　【４】Ｈｅｎｒｙ　Ｃ　Ｈ．Ｌｉｍｉｔｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ　ｏｆ　ｉｄｅａｌ　ｓｉｎｇｌｅ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｄｉａｇｒａｍｓ　ｆｏｒ　ｇｕｉｄｉｎｇ　Ｓｉ：Ｈ—ｂａｓｅｄ　ｍｕｌｔｉｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｔｈｍａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｇａｐ　ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９８０，　ｏｆ　Ｎｏｎ—Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　Ｓｏｌｉｄｓ，２００８，３５４（１９—２５）：２４３５—２４３９．　５１（８）：４４９４～４５００．　【１　１］Ｌｉ　Ｊｉａｎ，Ｐｏｄｒａｚａ　Ｎ　Ｊ，Ｃｏｌｌｉｎｓ　Ｒ　Ｗ．Ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ　【５］Ｃｈｅｌｉｋｏｗｓｋｙ　Ｊ　Ｒ，Ｃｏｈｅｎ　Ｍ　Ｌ．Ｎｏｎｌｏｃａｌ　ｐｓｅｕｄｏｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｃａｌｃｕｌａ—　ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ　ｏｆ　ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ　ＣｄＴｅ，ＣｄＳ，ａｎｄ　ＣｄＴｅ１Ｓ　ｔｈｉｎ　ｉｆｌｍｓ　ｆｏｒ　ｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｅｌｅｖｅｎ　ｄｉａｍｏｎｄ　ａｎｄ　ｚｉｎｃ—ｂｌｅｎｄｅ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ】．Ｐｈｙｓｉｃａ　ｓｔａｔｕｓ　ｓｏｌｉｄｉ（ａ），２００８，２０５（４）：　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ，１９７６，１４（２）：５５６—５８２．　９０１—９０４．　［６】．Ｔｏｍｐｋｉｎｓ　Ｈ　Ｇ，Ｉｒｅｎｅ　Ｅ　Ａ．Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ［Ｍ］．ＮＹ：　（１２】Ｆｅｎｇ　Ｇ　Ｆ，Ｚａｌｌｅｎ　Ｒ．Ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆｉｏｎ—ｉｍｐｌａｎｔｅｄ　ＧａＡｓ：　Ｗｉｌｌｉａｍ　Ａｎｄｒｅｗ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，２００５：２—９１，９３—２３５，４８１—５６６．　Ｔｈｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｆｎｉｔｅ—ｓｉｚｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ＧａＡｓ　ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｓ【Ｊ】．　【７】Ｐ０ｌｌａｌ（Ｆ　Ｈ，Ｃａｒｄｏｎａ　Ｍ．Ｐｉｅｚｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｒｅｆｔｅｃｔａｎｃｅ　ｉｎ　Ｇｅ，ＧａＡｓ，　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ，１９８９，４ｏ（２）：１０６４—１０７３．　ａｎｄ　Ｓｉ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ，１９６８，１７２（３）：８１６—８３７．　［１３】Ｌｉ　Ｊｉａｎ，Ｃｈｅｎ　Ｊｉｅ，ＣｏｌｌｉｎｓＲＷ．Ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇｏｆｏｐｔｉｃａｌｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ　【８】Ｃｚｙｚｙｋ　Ｍ　Ｔ，Ｐｏｄｇｏｒｎｙ　Ｍ．Ｅｎｅｒｇｙ　ｂａｎｄｓ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｉｎ　ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ＣｄＳ　ａｎｄ　ＣｄＴｅ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｏｆ　ＨｇＴｅ　ａｎｄ　ＣｄＴｌｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｔｉｇｈｔ—ｂｉｎｄｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１０，９７（１８）：１８１９０９—１—１８１９０９—３．圈　———　一　ＳＯＬＡＲ　ＥＮＥＲＧＹ　１　９／２０１１