碲化镉薄膜太阳电池关键科学问题研究
发布时间：2020-04-11 02:17
【摘要】：CdTe为直接带隙半导体材料,禁带宽度为1.45 eV,且具有较高的光吸收系数,可见光范围内高达105cm-1,2 μm厚度的CdTe吸收层能够吸收99%的能量高于其禁带宽度的光子,同时,CdTe为二元化合物半导体,制备工艺简单,因此,CdTe是一应用前景非常好的光伏材料。CdTe薄膜太阳电池是一以p型CdTe多晶半导体为吸光层材料的太阳电池。近年来,CdTe太阳电池发展迅速,目前,CdTe太阳电池实验室最高效率达到22.1%,商业化的组件效率为18.6%,在光伏行业内,CdTe电池市场占比不断升高,成为薄膜太阳电池中的翘楚。CdTe电池的短路电流密度已经达到理论值,但开路电压和填充因子比理论值低很多,若要在光伏市场上保持持久的竞争力,CdTe电池仍然存在许多关键科学问题需要解决,例如:CdTe材料载流子浓度较低,通常约为1013-1014cm-3;CdTe具有很强的自补偿效应,难以实现有效地p型掺杂,造成电池的载流子浓度和开路电压较低,串联电阻较高;CdTe功函数较高,约为5.7 eV,难以找到相匹配的金属与之形成欧姆接触,导致电池背电极处形成接触势垒,不利于空穴的输运与收集;CdTe电池内部存在多种接触界面,界面复合会引起少数载流子寿命下降,电池开路电压下降;CdTe电池内部存在多种漏电通道,降低了电池的输出电流;掺杂元素会扩散至CdS/CdTe界面,降低电池长期工作的稳定性。针对CdTe薄膜太阳电池中的关键科学问题,本论文主要从以下几个方面对CdTe电池进行了研究:第一章,介绍了太阳电池的发展概况及未来前景,阐述了基于半导体p-n结的太阳电池的结构、原理及输出特性,最后概述了 CdTe薄膜太阳电池的发展历程、电池结构、材料特性和关键技术问题。第二章,研究了 GaAs和CdTe薄膜太阳电池在弱光条件下的输出特性。系统分析了两种电池的性能参数随光照强度的变化关系。并通过对比两种电池的弱光性能差异,结合两种电池结构、电池材料结晶性、活性层掺杂浓度、界面态等特点,分析影响CdTe电池弱光性能的主要限制因素。通过对GaAs和CdTe两种电池效率随光照强度变化的分析,建立理想情况下电池效率与光照强度之间的函数关系。第三章,研究了 CdTe薄膜太阳电池中空间电荷限制电流的形成机理,制备了简化的FTO/CdTe/metal金属-半导体-金属结构,并分析该结构在CdTe太阳电池中的形成原因。分析了空间电荷限制电流对CdTe太阳电池漏电电流的影响。实验结果与理论分析表明,空间电荷限制电流能大幅降低CdTe太阳电池中少数载流子的寿命,减小电池的开路电压。第四章,使用CoO作为CdTe太阳电池背接触缓冲层。CoO缓冲层在CdTe背接触处起到背电场与电子反射层的作用,一方面降低了少数载流子在背接触界面处的复合,提高了少数载流子寿命和电池的开路电压,另一方面有助于空穴的传输与收集,提升了电池的短路电流密度。同时,使用CoO缓冲层可降低CdTe电池背接触处Cu的使用量,提高CdTe电池器件的长期工作稳定性。第五章,研究了 CdTe太阳电池的导纳谱(电容-频率曲线)以及不同背接触结构的CdTe电池阻抗谱。通过对CdTe电池的C-V曲线分析,获得电池内部载流子浓度的分布情况和CdS/CdTe异质结的内建电势。通过对CdTe电池导纳谱的研究与分析,获得了 CdTe电池内部和CdS/CdTe界面处缺陷态浓度随缺陷能级的分布情况。第六章,总结了本论文的主要研究内容及结论,并简单概述了 CdTe太阳电池未来的发展方向。
【图文】：
新结构太阳电池被提出，如：叠层太阳电池、聚光太阳电池、柔性太逡逑阳电池、量子点太阳电池、染料敏化太阳电池、有机太阳电池、硒化锑薄膜太阳逡逑电池、钙钛矿太阳电池等太阳电池的效率也取得了巨大的突破，图１．１为逡逑不同种类太阳电池最高效率的历史变化曲线，该图由美国可再生能源实验室逡逑（ＮＲＥＬ）于２０１８年７月１７日提供。逡逑Ｂｅｓｔ邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ－Ｃｅｌｌ邋Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ逦ＨＮＲＥＬ逡逑５２１逦逦逦逦逦—逡逑Ｂａｆｅｊｕｎｃｂｅｉｎ邋Ｃａ＾？邋ｉＺ－Ｋｆｔｒｍｔ．逦Xu５？＾逡逑４８－逡逑0邋Ｕ、逦＾Ｘ邋ｈｉ＜逦逦逡逑丨逦Ｏ邋Ｋ－ｍｐ＞0ｉｅ＞３，，＾逡逑Ｕ邋－逦%煎危螅幔觯浚睿幔颍浚颍铮颍惧危撸咤危迹樱冢拢皱义希樱诲巍у义希螅簦蓿颍担危驽危螅幔箦义希常叮ぃ掊巍危蓿罚澹掊濉鲥危疱义希垮澹常插澹危澹唬簦常义喜反乓诲危椋驽义希福
本文编号：2623018
【图文】：
新结构太阳电池被提出，如：叠层太阳电池、聚光太阳电池、柔性太逡逑阳电池、量子点太阳电池、染料敏化太阳电池、有机太阳电池、硒化锑薄膜太阳逡逑电池、钙钛矿太阳电池等太阳电池的效率也取得了巨大的突破，图１．１为逡逑不同种类太阳电池最高效率的历史变化曲线，该图由美国可再生能源实验室逡逑（ＮＲＥＬ）于２０１８年７月１７日提供。逡逑Ｂｅｓｔ邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ－Ｃｅｌｌ邋Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ逦ＨＮＲＥＬ逡逑５２１逦逦逦逦逦—逡逑Ｂａｆｅｊｕｎｃｂｅｉｎ邋Ｃａ＾？邋ｉＺ－Ｋｆｔｒｍｔ．逦Xu５？＾逡逑４８－逡逑0邋Ｕ、逦＾Ｘ邋ｈｉ＜逦逦逡逑丨逦Ｏ邋Ｋ－ｍｐ＞0ｉｅ＞３，，＾逡逑Ｕ邋－逦%煎危螅幔觯浚睿幔颍浚颍铮颍惧危撸咤危迹樱冢拢皱义希樱诲巍у义希螅簦蓿颍担危驽危螅幔箦义希常叮ぃ掊巍危蓿罚澹掊濉鲥危疱义希垮澹常插澹危澹唬簦常义喜反乓诲危椋驽义希福
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