化鎘薄膜太陽能電池是一種以p型CdTe和n型CdS的異質結為基礎的薄膜太陽能電池。CdTe薄膜具有較好的熱穩定性和化學穩定性，因此使用壽命較長。由于其能帶寬度處于中間位置，因此適合與其他帶寬的半導體結合制備多結太陽能電池。CdTe太陽能電池可以沉積在柔性襯底上，制備柔性電池。CdTe抗輻射能力強，也可用于空間領域。
碲化鎘（CdTe）薄膜太陽能電池的研究始于1969年。第一個碲化鎘薄膜太陽能電池是由RCA實驗室于1976年在CdTe單晶上鍍上In的合金制得的,為反向結構（Superstrate），其光電轉換效率僅為2.1%。1982年，Kodak實驗室用化學沉積法在p型的CdTe上制備一層超薄的CdS，獲得了效率超過10%的異質結p-CdTe/n-CdS薄膜太陽能電池。到20世紀90年代初，碲化鎘薄膜太陽能電池才實現了規?；a。
CdTe薄膜太陽能電池的組成包括窗口層、吸收層、背接觸層等。CdTe薄膜太陽能電池的工作原理為光通過玻璃襯底進入電池，光子橫穿TCO層和CdS層，電子在接近結的區域產生。電子在內建場的驅動下進入n型CdS層。空穴仍然在CdTe內，空穴的聚集會增強材料的p型電導，最終不得不經由背接觸電極離開電池。CdTe薄膜的制備方法主要有閉空間升華法、磁控濺射法、氣相輸運沉積法、金屬氧化物化學氣相沉積法、電沉積法、印刷法等。
歷史發展
第一個碲化鎘薄膜太陽能電是由RCA實驗室于1976年在CdTe單晶上鍍上In的合金制得的，為反向結構（Superstrate），其光電轉換效率僅為2.1%。1982年，Kodak實驗室用化學沉積法在p型的CdTe上制備一層超薄的CdS，獲得了效率超過10%的異質結p-CdTe/n-CdS薄膜太陽能電池。1985年，Birkmire首次提出正向結構（Substrate）的CdTe薄膜太陽能電池。1999年，Singh在箔片上制備出正向結構的柔性碲化鎘太陽能電池，其光電轉換效率為5.3%。直到20世紀90年代初，碲化鎘薄膜太陽能電池才實現了規模化生產。中國較早開始研究碲化鎘（CdTe）電池的有內蒙古大學、四川大學等高等院校，他們的研究主要集中在材料性能方面，小面積電池效率也達到了13.38%，但是仍然與國外有一定差距。
工作原理
CdTe薄膜太陽能電池的工作原理是：光通過玻璃襯底進入電池，光子橫穿TCO層和CdS層。CdTe薄膜是這種電池的活性吸收層。電子-空穴對在接近結的區域產生。電子在內建場的驅動下進入n型CdS層。空穴仍然在CdTe內，空穴的聚集會增強材料的p型電導，最終不得不經由背接觸電極離開電池。電流由與TCO薄膜和背接觸連接的金屬電極來引出。由于CdTe對波長低于800nm的光有很強的吸收（10"/cm），因此幾微米厚度的薄膜將足以完全吸收可見光。常選用的薄膜厚度為3～7um。
主要特點
CdTe屬于II-V族化合物，屬于直接帶隙半導體，禁帶寬度為1.45eV，CdTe的光譜響應和太陽光譜非常匹配。其晶體結構屬于立方晶體，晶格常數為6.841A。CdTe也具有較高的吸收系數，僅2um厚的CdTe薄膜就可以吸收99%能量大于碲化鎘帶隙的光子。碲化鎘導帶電子的有效質量為0.096me，電子親和勢為4.28eV，遷移率500～1000cmz/（V·s）。價帶空穴的有效質量為0.35，遷移率50～80cm/（V：s）。CdTe的熔點為1365K，所以--般采用升華的方法來制備CdTe薄膜。CdTe薄膜太陽能電池的理論轉換效率可以達到J28%。CdTe薄膜具有較好的熱穩定性和化學穩定性，因此使用壽命較長。由于其能帶寬度處于中間位置，因此適合與其他帶寬的半導體結合制備多結太陽能電池。CdTe太陽能電池可以沉積在柔性襯底上，制備柔性電池。CdTe抗輻射能力強，也可用于空間領域。
CdTe薄膜太陽能電池較于其他電池的特點：（1）CdTe的禁帶寬度與太陽能光譜相匹配，其理論轉化率高達29%，適合制備高效薄膜太陽能電池。（2）功率溫度系數低、弱光性好，更適合沙漠、高溫等復雜的地理環境，且在弱光環境下也能發電。（3) CdTe薄膜組件的生產成本極具競爭力【美國第一太陽能（FirstSolar）公司的生產成本約為0.34美元/W。
基本結構
CdTe薄膜太陽能電池是在玻璃或是其它柔性襯底上依次沉積多層薄膜而構成的光伏器件。一般標準的 CdTe薄膜太陽能電池由五層結構組成。依次是玻璃襯底上的透明導電層 TCO、n 型的 CdS 作為窗口層和 p-n 結中的 n 型半導體、吸光層、背接觸層和背電極層。
功能和性質
主要分類
CdTe薄膜太陽能電池的結構一般分為正向結構和反向結構。
反向結構
反向結構的CdTe薄膜太陽能電池基板為高透過率的低鈉玻璃，玻璃上鍍有透明導電薄膜，厚度為200～500nm，其作用是，讓光從本層薄膜透過進入電池，同時作為電池的負極，將光生電流導出。目前，主流的透明導電薄膜為SnO：F，厚度為兒百納來，這種結構光透過率高（80%～85%）、電阻低（方阻小于102）、穩定性好，在電池制備和組件運行過程中，其電學和光學性能幾乎不衰退。
正向結構
將反向結構中的沉積順序反轉，結構類似銅鋼緣薄膜太陽能電池。正向結構電池的性能一般比較差，主要原因為，這種結構下不能對包含氧化鎘的碲化鎬進行有效的熱退火處理，導致碲化鎬晶粒內部缺陷不能有效地減少，從而CdTe/CdS異質結界面擴散不能被有效地控制，界面缺陷較多。這種結構不能很好地獲得碲化的背接觸電極。所以，目前主流的CdTe薄膜太陽能電池和組件還是采用反向結構。
制備方法
CdTe薄膜的制備方法主要有閉空間升華法、磁控濺射法、氣相輸運沉積法、金屬氧化物化學氣相沉積法、電沉積法、印刷法等。
國外狀況
國際上對CdTe薄膜電池的研究取得了很大進展。隨著短路電流密度接近理論極限值，研究重點已轉移到提高CdTe多晶薄膜電池的開路電壓。2016年初，世界領先的太陽能光伏模塊制造商之一FirstSolar宜布其CdTe太陽能電池轉換效率達到22.1%，并還有進一步提升的空間。2016年來，多家機構的單晶CdTe電池開路電壓已超過1V。接下來對開路電壓的研究主要包括兩個方向：一是提高CdTe薄膜p型摻雜濃度，達到10l107/cm，比效率為22.1%的CdTe電池摻雜濃度高2個數量級；二是提高多晶薄膜的載流子壽命，有人制備的CdSeTe，載流子壽命達到490~770ns，與單晶CdTe的相當。
前景展望
碲化薄膜太陽能電池具有光電轉換效率高、功率溫度系數低、弱光效應好、易制備、生產成本低等優勢，已經在光伏市場上占有一席之地。研究人員和生產廠商研究的焦點仍是降低生產成本和提高光電轉換效率，產業化的升級將進一步提高碲化鎬薄膜太陽能電池的競爭力。中國的碲化鎬薄膜太陽能電池的產業化仍存在很大的發展空間和市場前景。
參考資料 >