寬光譜響應的高效CdTe薄膜太陽電池

劉 嬌，鮑飛雄，傅干華，沈 凱*，麥耀華

(1.暨南大學信息科學技術學院，新能源技術研究院，廣州 511443；2.成都中建材光電材料有限公司，成都 610064)

0 引言

碲化鎘(CdTe)薄膜太陽電池作為最成功的產業化薄膜太陽電池技術，以較高的光電轉換效率、電池性能的長期穩定性、顯著的成本優勢等特點成為極具研究價值與市場潛力的太陽電池技術[1]。近年來，CdTe薄膜太陽電池實現了新一輪技術革新，小面積CdTe薄膜太陽電池的最高光電轉換效率從16.5%快速提升至22.1%[2]，被稱為CdTe薄膜太陽電池制備的第4次技術飛躍，引起了科研界和產業界的廣泛關注。本文圍繞新一輪技術飛躍中CdTe薄膜太陽電池的寬光譜響應和電池性能提升，對該類高效電池的結構及制備技術進行了梳理論述，并對其的發展做出了展望。

1 寬光譜響應的高效CdTe薄膜太陽電池的結構及制備技術

新一輪技術飛躍分別從短波波段和長波波段改善了CdTe薄膜太陽電池的光譜響應特性，使其具有更寬的光譜響應范圍，并同步實現了電池性能的快速提升。

新一輪技術飛躍中主要的技術進展包括：一方面，CdTe薄膜太陽電池結構中前電極緩沖層大幅減少了300～550 nm短波波段的光吸收損失，使該太陽電池的短路電流密度JSC從27 mA/cm2增至28 mA/cm2以上。針對前電極緩沖層的技術改進主要有以下2種方案：1)以寬帶隙的半導體，比如氧鋅鎂(MgZnO，簡稱“MZO”)、摻氧硫化鎘(CdS:O)、硒化鎘(CdSe)等直接替代硫化鎘(CdS)緩沖層；2)采用新結構的復合前電極緩沖層，這種復合前電極緩沖層可包含保護層或自犧牲層，比如CdS/CdSe、MZO/CdS/CdSe、MZO/CdSe結構，可以有效減小CdS緩沖層的厚度。

另一方面，通過引入帶隙可調(1.39～1.47 eV)的鎘碲硒(CdSeTe)[3]三元固溶體化合物，使吸收層呈現梯度帶隙，可以吸收更長波長的太陽光，進一步提升CdTe薄膜太陽電池的JSC；同時，吸收層薄膜質量的改善使該電池的開路電壓VOC從過去的約850 mV提升至870 mV以上。基于CdSeTe的梯度吸收層構建一般是通過2種方式實現：1)間接法，先沉積CdSe，后續再通過熱擴散方式形成三元合金；2)直接沉積1層三元合金的化合物薄膜，并在后續熱擴散過程中形成成分梯度。CdSeTe的制備方法較為多樣，可以采用真空熱蒸發[4-5]、近空間升華[6-7]、分子束外延[8-9]、熱壁沉積[10]、電子束沉積[11]和電沉積[12]等方法制備。

下文將從電池結構出發，對寬光譜響應的高效CdTe薄膜太陽電池的制備技術及研究進展進行介紹。

1.1 MZO/CdTe結構

傳統CdTe薄膜太陽電池的典型結構通常以CdS作為n型緩沖層。但CdS的帶隙為2.42 eV，作為窗口層時會吸收波長小于510 nm的太陽光，造成電池電流密度J的損失。而MZO作為一種寬帶隙(3.60～3.70 eV)半導體，在寬光譜范圍內具有較高的光透過性，而且MZO的帶隙和載流子濃度可以調節，有利于實現透明導電氧化物/MZO和MZO/CdSeTe界面之間的能帶匹配。

圖1 MZO薄膜的帶隙與襯底溫度的關系曲線[13]Fig.1 Relationship between the band gap of the MZO film and the substrate temperature [13]

BITTAU等[13]采用射頻磁控濺射法沉積MZO薄膜，并通過在沉積過程中增加襯底溫度來調節MZO薄膜的帶隙，MZO薄膜的帶隙與襯底溫度的關系曲線如圖1所示。由圖1可知，MZO薄膜的帶隙隨襯底溫度的升高而升高；在襯底溫度為300 ℃下沉積的MZO薄膜的帶隙為3.70 eV，該條件下采用MZO/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池的平均光電轉換效率為12.5%，最高光電轉換效率為13.3%。采用MZO/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池的性能隨MZO薄膜沉積溫度的變化情況如圖2所示。由圖2可知，隨著MZO薄膜沉積溫度的升高，CdTe薄膜太陽電池的VOC和Eff均呈上升趨勢。

圖2 采用MZO/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池性能隨MZO薄膜沉積溫度的變化情況[13]Fig.2 Performance varies of CdTe thin-film solar cells with MZO/CdTe structure with different deposition temperature of MZO thin-film [13]

以MZO薄膜作為緩沖層時對環境濕度和O2的高敏感性使高效太陽電池的制備過程更具挑戰性和復雜性，并帶來了潛在的穩定性問題。SAMOILENKO等[14]在含氧氣氛下直接采用Zn和Mg靶材，通過元素反應共濺射沉積的MZO薄膜具有良好的穩定性，表面功函數在6個月時間內無明顯變化，且無論后續工藝是否有O2存在，采用MZO/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池的光電轉換效率都保持在約16%。在太陽電池中p-n結界面處的勢壘對載流子的傳輸和復合有重要影響，何旭等[15]使用SCAPS軟件對采用MZO/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池進行了仿真模擬研究，發現當MZO薄膜的導帶底高出CdTe的導帶底約0.13 eV時，該太陽電池的光電轉換效率最高，達到了18.29%。MUNSHI等[16]利用磁控濺射法沉積100 nm厚的MZO薄膜，并采用線列式的近空間升華設備沉積CdTe薄膜及進行后續的氯化鎘(CdCl2)退火處理，最終獲得了17.9%的CdTe薄膜太陽電池光電轉換效率。

采用MZO/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池以更寬帶隙的MZO代替了CdS，有效減少了短波波段的光吸收損失；而通過改變MZO薄膜的沉積方法也使其對于環境濕度和O2高度敏感性這一問題得到了改善。通過數值仿真發現，MZO緩沖層與CdTe層界面之間的導帶偏移量對CdTe薄膜太陽電池的光電轉換效率存在重要影響，如何實現理想的界面勢壘還需要進一步的實驗研究。

1.2 CdS:O/CdTe結構

CdS:O薄膜作為n型緩沖層應用于高效CdTe薄膜太陽電池時主要采用反應濺射的方式沉積，濺射環境中O2的最佳用量高度依賴于特定的沉積系統和工藝。通過調節氣氛中O2/Ar的比例(0～10%)可以將CdS:O薄膜的帶隙從2.4 eV增至3.8 eV；而當O2含量達到9%時，電池性能會急劇惡化，這一方面可能是因為O2濃度過高形成了硫酸基團；另一方面可能是因為CdS:O薄膜的帶隙比CdS的大，在CdS:O/CdTe界面處形成了不適當的導帶偏移[17]。

基于上述原因，MEYSING等[18]研究了CdS:O薄膜的一些固有性質(如透過率、帶隙等)與O2含量之間的函數關系及其對電池性能的影響。研究發現，當O2/Ar比例為6%時，所獲得的電池性能最佳，此時CdS:O薄膜中O原子比例為40%。通過在CdS中摻入氧，使太陽電池的光電轉換效率從單純使用CdS時的10.5%提升到了14%以上，這主要得益于JSC的提升及VOC的適度改善。而當CdS:O薄膜的帶隙為2.8 eV時，電池的性能較為理想。不同O2/Ar比例對CdS:O薄膜帶隙的影響如圖3所示[18]；不同O2/Ar比例下CdS:O薄膜中的O原子比例如圖4所示[18]；以100 nm厚的CdS:O薄膜作為緩沖層、濺射氣氛中O2含量不同時CdTe薄膜太陽電池的外量子效率(EQE)和J-V曲線如圖5所示[18]。

圖3 不同O2/Ar比例對CdS:O薄膜帶隙的影響[18]Fig.3 Influence of different O2/Ar ratios on band gap of CdS:O film[18]

圖4 不同O2/Ar比例下CdS:O薄膜中的O原子比例[18]Fig.4 Oxygen atom ratio in CdS:O films at different O2/Ar ratios [18]

圖5 以100 nm厚的CdS:O薄膜作為緩沖層、濺射氣氛中O2含量不同時CdTe薄膜太陽電池的EQE和J-V曲線[18]Fig.5 EQE and J-V curves of CdTe thin-film solar cell with 100 nm thick CdS:O film as buffer layer and different O2 content in sputtering atmosphere [18]

CdS:O薄膜作為緩沖層時的厚度對CdTe薄膜太陽電池的性能也有重要影響。通常，CdS:O薄膜越薄，越可以增強電池短波波段的光譜響應，從而達到更高的JSC；但這也會導致VOC和填充因子FF降低。以往的研究表明，將CdS:O薄膜的厚度降至40 nm以下會降低太陽電池的光電轉換效率。在最新的研究進展中，HU等[19]提出了一種后退火工藝來制備具有超薄CdS:O緩沖層的高效CdTe薄膜太陽電池，在CdS:O薄膜的厚度僅為30 nm時，制備的CdTe薄膜太陽電池的光電轉換效率達到了18%。研究結果表明，CdTe吸收層的高缺陷密度、低內建電勢(Vbi)和高背勢壘高度(φb)是采用超薄CdS:O緩沖層的CdTe薄膜太陽電池的VOC和FF降低的部分原因。后退火工藝可以提高載流子濃度和Vbi，降低φb，提高VOC和FF，從而可達到較高的光電轉換效率。此外，在MZO/CdTe之間添加CdS:O薄膜可以防止MZO薄膜受到環境濕度和O2的影響，并在此工序后允許O2進入電池的制備過程，從而有助于拓寬CdTe薄膜沉積和電池制備時的工藝窗口。

1.3 CdSe/CdTe結構

相比于CdS，CdSe在CdTe中具有更高的溶解度，可使CdSe/CdTe界面具有較強的互擴散，形成高x值的CdSexTe1-x合金。對于以CdSe薄膜作為緩沖層的CdTe薄膜太陽電池來說，CdSe薄膜的厚度與電池性能密切相關。如圖6所示，在300～700 nm波段內，隨著CdSe薄膜厚度的增加，電池的EQE也隨之降低。這是因為過厚的CdSe薄膜會導致擴散不充分，而且Se含量過高會形成非光活性的纖鋅礦結構的CdSeTe，使太陽電池的JSC降低[20]。另外，CdSe/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池中使用的透明導電氧化物(TCO)通常是由低阻材料如摻氟氧化錫(FTO)和高阻材料如氧化錫(SnO2)組成的雙層材料。SnO2作為高阻材料避免了CdSeTe與FTO直接接觸時造成的VOC損失，但是CdSe/CdTe結構存在的界面復合仍高于CdS/CdTe結構[21]。

圖6 以不同厚度的CdSe薄膜作為緩沖層時CdTe薄膜太陽電池的EQE曲線[20]Fig.6 EQE curves of CdTe thin-film solar cell with CdSe film as buffer layer at different thickness[20]

PAUDEL等[20]采用磁控濺射法制備了CdSe薄膜，基于CdSe/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池獲得了14.7%的光電轉換效率，JSC為27.5 mA/cm2。雖然該結構的電池通過移除CdS改善了短波波段的光吸收損失，形成的CdSeTe也可以增加長波波段的量子效率(QE)響應，因此采用CdSe(100 nm)/CdTe(4 μm)結構的CdTe薄膜太陽電池比采用CdS(130 nm)/CdTe(4 μm)結構的CdTe薄膜太陽電池在JSC上有所改善，但CdSe/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池的VOC和FF均有所降低，這主要是由電池前界面存在界面復合和吸收層帶隙減小導致的。

ABLEKIM等[22]采用TEC12D(FTO/SnO2)的玻璃襯底，以熱蒸發的方式制備CdSe/CdTe結構，在有、無MZO緩沖層時CdTe薄膜太陽電池均實現了19%的光電轉換效率，且JSC超過了30 mA/cm2，同時保持著較高的VOC(＞800 mV)和FF。

CdSe薄膜厚度不同時CdTe薄膜太陽電池的J-V曲線及性能參數如圖7所示[22]。從圖中可看出CdSe作為緩沖層的潛力，其中，CdSe薄膜厚度為150 nm，CdTe薄膜厚度約為4.5 μm，兩者在一體化沉積系統的沉積過程中不會破壞真空環境，且兩者的沉積溫度一致(源溫度為680 ℃，襯底溫度為400 ℃)。

圖7 不同厚度CdSe薄膜時CdTe薄膜太陽電池的J-V曲線及性能參數[22]Fig.7 J-V curves and performance parameters of CdTe thin-film solar cell with different thickness of CdSe films[22]

雖然采用CdSe/CdTe結構的高效CdTe薄膜太陽電池已有報道，但由于在大部分的實驗研究中其仍存在較嚴重的前界面復合，導致電池的光電轉換效率受到限制。結合低帶隙CdSeTe薄膜的形成機制及其對長波波段光譜響應的提高，包含CdSe(或CdSeTe)薄膜的復合結構緩沖層更易于制備出具有高光電轉換效率的CdTe薄膜太陽電池。

1.4 CdS/CdSe/CdTe結構

傳統CdS/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池中的CdS薄膜厚度一般為100～120 nm。有研究表明，當CdS薄膜厚度大于80 nm時，其對太陽光譜中波長小于500 nm的光子利用率低于50%；而當CdS薄膜厚度小于30 nm時，其對太陽光的吸收基本可以忽略。因此，為了減少光吸收的損失，可以適當減小CdS薄膜的厚度。但前期有研究表明[23]，過度降低CdS薄膜的厚度容易導致該層出現孔洞，并導致電池的VOC、FF等下降。因此可通過增加保護層或自犧牲層來形成復合緩沖層，從而減小CdS薄膜的厚度，在提高電池短波波段光譜響應的同時減少VOC與FF的損失。

此外，CdS/CdTe界面在后續的CdCl2退火處理中，會由于相互擴散形成高缺陷且非光活性的CdSxTe1-x[24]。為此，提出了CdS/CdSe結構的復合緩沖層，CdSe作為CdS層的保護層，可以避免高溫沉積CdTe過程中CdS的過度消耗；且在后續的CdCl2退火處理中，CdSe還可以與CdTe相互擴散形成更低帶隙的CdSeTe。因此，無論是在短波波段還是在長波波段，采用CdS/CdSe/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池都對光譜響應起到了提升作用。

PAUDEL等[20]圍繞CdTe薄膜太陽電池JSC的提升，對CdS/CdSe復合緩沖層結構進行了對比研究。相對于采用單一CdS(130 nm)薄膜作為緩沖層的CdTe薄膜太陽電池而言，采用CdS(15 nm)/CdSe(100 nm)復合緩沖層的CdTe薄膜太陽電池的JSC提升了3 mA/cm2，達到了27.2 mA/cm2；VOC達到了806 mV，但FF較低，因此光電轉換效率較低。相較于采用CdSe/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池，在此結構基礎上加入CdS層后有效減少了電池的前界面復合，獲得了更高的VOC。之后PAUDEL等[25]研究了采用CdS:O/CdSe/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池，此種結構增強了短波波段和長波波段的QE響應，并改善了電池的VOC。通過優化制備工藝，采用CdS:O/CdSe復合緩沖層的小面積CdTe薄膜太陽電池的光電轉換效率達到了15.2%、VOC為831 mV、JSC為26.3 mA/cm2、FF為69.5%。YANG等[24]采用脈沖激光沉積法制備的CdS/CdSe復合緩沖層結構的CdTe薄膜太陽電池，JSC可達到27 mA/cm2以上。

采用不同緩沖層時CdTe薄膜太陽電池的性能參數如表1所示。

表1 采用不同緩沖層的CdTe薄膜太陽電池的性能參數Table1 Performance parameters of CdTe thin-film solar cell with different buffer layers

1.5 MZO/CdS/CdSe/CdTe結構

緩沖層采用CdS/CdSe結構的CdTe薄膜太陽電池存在FF較低的問題，而MZO薄膜的引入可以較好地解決這一問題。MZO薄膜可以更好地實現能帶匹配，形成適當的帶偏置，這在界面復合控制中至關重要。WANG等[17]通過全濺射法制備了MZO(100 nm)/CdS(20 nm)/ CdSe(40 nm)結構的復合緩沖層，并通過SCAPS軟件仿真發現，采用MZO/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池的性能與Vbi密切相關，而通過增加CdS層可提高其Vbi；最終在增加Vbi并減少QE損失的基礎上，采用MZO/CdS/CdSe復合緩沖層結構的CdTe薄膜太陽電池成功保持了相對較高的VOC(804 mV)和FF(68.2%)，并達到了14.7%的光電轉換效率。

REN等[26]基于MZO/CdS/CdSe/CdTe結構，通過對MZO薄膜進行快速熱退火(RTA)，使采用該結構的CdTe薄膜太陽電池的光電轉換效率從11.7%提升至15.7%。RTA處理提高了MZO薄膜的結晶度，消除了缺陷，提高了薄膜的導電性，從而有助于抑制體缺陷和界面缺陷引起的復合，降低電池的串聯電阻。對MZO薄膜進行直接生長(AS-grown)和進行RTA-600 ℃處理后的采用該結構的CdTe薄膜太陽電池的J-V曲線及QE情況如圖8所示。實驗中較合適的RTA溫度為600 ℃，加熱速率保持在10 ℃/s。

SHEN等采用MZO/CdS/CdSe結構的復合緩沖層顯著改善了電池的短波響應；同時，通過調控異質結界面組分及界面缺陷提高了電池的VOC和FF，并通過改善背接觸制備及熱處理工藝，獲得了認證的AM1.5G條件下光電轉換效率為16.92%的CdTe薄膜太陽電池。

圖8 MZO薄膜采用不同工藝時MZO/CdS/CdSe/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池的其性能 [26]Fig.8 Performance of CdTe thin-film solar cell with MZO/CdS/CdSe/CdTe structure when MZO films are processed by different processes[26]

1.6 MZO/CdSeTe/CdTe結構

根據太陽電池光電轉換效率的肖克利-奎伊瑟極限(Shockley-Queisser limit)理論，在AM1.5G條件下，獲得太陽電池理論上的最大光電轉換效率時吸收層的最佳帶隙為1.34 eV[27-28]。而CdTe的帶隙(1.47 eV)略寬，將CdTe吸收層的帶隙移向理論上最佳值的策略，有助于進一步增加光電流，從而提高電池的光電轉換效率。CdSeTe材料是較好的選擇，可以通過適當調節化學計量比使其帶隙降至約1.4 eV[29]。許多通過在吸收層引入CdSeTe來改善JSC從而獲得較高光電轉換效率的研究被報道，雖然Se的加入可以構建梯度帶隙，從而增加電池的JSC，但這并不能成為單獨解釋電池性能得到改善的原因。

ZHENG等[30]通過數值模擬的方式，研究了CdSeTe不同的帶隙分級、載流子壽命、能帶匹配和載流子濃度對載流子傳輸、界面復合和電池性能的影響。研究發現，通過調整CdSeTe的組成和帶隙梯度可以提高電池性能，但這些方面得到的電池性能提升相對于Se合金提高載流子壽命從而使電池性能提高而言，貢獻很小，這就可以解釋創光電轉換效率紀錄的CdTe薄膜太陽電池在吸收層帶隙明顯減小的情況下仍能保持較小的VOC損失的原因。FIDUCIA等[31]則以二次離子質譜(SIMS)、陰極發光(CL)等表征手段，結合Se的擴散分布情況，證明了Se具有鈍化CdTe內部缺陷的作用。圖9為Se合金對CdTe發光效率的影響[31]，由圖可知，原本沉積的1.5μm厚的CdSeTe與CdTe之間無明顯的邊界，但經過CdCl2處理后，呈現出隨著距離前端界面越遠Se的濃度逐漸下降的趨勢；而且Se的濃度不僅在吸收層深度上呈現出分級，還在吸收層的晶粒結構上分布不均勻。通過對比同樣區域內CL強度的分布情況可以發現，Se濃度與CL強度這兩者存在明顯的正相關。由于高發光效率表明在半導體中有低水平的缺陷導致的非輻射復合，這種明顯的正相關表明Se鈍化了吸收層中的非輻射復合中心，這對于少子壽命得到改善給出了一定解釋。

圖9 Se合金對CdTe發光效率的影響[31]Fig.9 Effect of Se alloy on luminescence efficiency of CdTe [31]

MUNSHI等[16]以磁控濺射MZO靶材的方式沉積了約100 nm厚的MZO薄膜作為緩沖層，薄膜中Mg的含量為23%，結合吸收層中CdSeTe的引入，使電池的JSC大幅提高的同時，還保證了較高的VOC(854 mV)和FF(79.1%)；與采用MZO/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池相比JSC增益明顯，提高了2.1 mA/cm2，光電轉換效率從17.9%提升到了19.1%。該高效CdTe薄膜太陽電池的結構示意圖如圖10所示。此外，綜合圖11和圖12可看出，CdSeTe的引入將EQE響應的光譜范圍從850 nm拓寬至900 nm，且載流子壽命明顯增加。圖中，CdSeTe薄膜厚度為800 nm，采用Se含量為20%的合金源，在沉積前襯底溫度被加熱到540 ℃，源溫度為575 ℃。

圖10 光電轉換效率達到19.1%的CdTe薄膜太陽電池的結構示意圖[16]Fig.10 Structure diagram of CdTe thin-film solar cell with photoelectric conversion efficiency of 19.1% [16]

圖11 采用MZO/CdSeTe/CdTe結構與采用MZO/CdTe結構的CdTe薄膜太陽電池的EQE對比[16]Fig.11 EQE comparison between CdTe thin-film solar cells with MZO/CdSeTe/CdTe structure and MZO/CdTe structure[16]

PANDEY等[32]基于MZO/CdSeTe/CdTe的電池結構，通過數值模擬方式對MZO薄膜的參數進行了研究。研究發現，若要有效抑制界面復合，MZO緩沖層的載流子濃度需要大于1017cm-3并且要始終大于吸收層的載流子濃度。HU等[33]通過在利用近空間升華(CSS)法制備CdSeTe薄膜的過程中引入O2，獲得了19.2%的CdTe薄膜太陽電池光電轉換效率。研究發現，環境中的O2可以增加沉積膜中Se的含量，并以“氧化-升華”兩步反應過程解釋了氧的作用。

圖12 TRPL測試顯示的CdSeTe對載流子壽命的提升[16]Fig.12 TRPL measurement showing improved carrier lifetime with CdSeTe[16]

BOTHWELL等[34]采用CSS法在MZO襯底上制備了1.5 μm厚的超薄CdSeTe/CdTe雙吸收層，最終CdTe薄膜太陽電池的光電轉換效率達到了15.7%。研究發現，為獲得高效太陽電池，CdSeTe沉積時的襯底溫度應高于CdTe沉積時的襯底溫度，為540 ℃時較好；同時對CdSeTe薄膜與CdTe薄膜的厚度比進行優化，發現CdSeTe(0.5 μm)/CdTe(1.0 μm)較為合適。

ALBIN等[35]采用Colossal Grain Growth(CGG)方法制備的CdSeTe多晶薄膜的晶粒尺寸達到了1 mm，為后續太陽電池中大晶粒、長壽命吸收層的制備奠定了基礎。

1.7 MZO/CdSe/CdTe結構

COLEGROVE等[36]對Se在CdTe薄膜沉積、熱退火及CdCl2熱處理過程中的擴散動力學進行了研究，研究發現在CdCl2熱處理過程中，Se的擴散速率比在單獨的熱退火過程中快很多，同時其晶界擴散速率也比體擴散快。這2種效應表明，CdCl2熱處理過程中的Se擴散在構建CdTe薄膜太陽電池的梯度吸收層方面占據主導地位。這個發現為后續實現更好的梯度吸收層奠定了一定基礎。SHEN等采用全真空方法，基于采用SnO2/MZO/CdSe/CdTe/Cu/Au結構的CdTe薄膜太陽電池，通過針對Se的擴散分布及激活鈍化等工藝的優化，制備出高質量的梯度吸收層，獲得了18.6%的電池光電轉換效率。

PAUDEL等[20]采用低成本、多用途的真空熱蒸發系統依次沉積CdSe(150 nm)/CdTe(4.5 μm)雙吸收層，獲得了結構為MZO/CdSe /CdTe的光電轉換效率超過19%的高效CdTe薄膜太陽電池。

HU等[37]通過在濺射CdSe的過程中引入O2，獲得了18.6%的CdTe薄膜太陽電池光電轉換效率。研究發現，在CdSe中摻入O2的效果類似于CdS:O，生成的CdSeO3可改善電池的VOC與FF。

通過對比發現，First Solar公司創世界紀錄的CdTe薄膜太陽電池(性能參數為：VOC=887.2 mV，JSC=31.69 mA/cm2，FF=78.5%，Eff=22.1%)在VOC和JSC方面均超過了幾種含CdSe或CdSeTe結構的CdTe薄膜太陽電池，只有MZO/CdSeTe(或MZO/CdSe)結構的CdTe薄膜太陽電池的FF可以超過該創世界紀錄的太陽電池。該創世界紀錄的太陽電池的確切結構及其具有優異性能的原因尚不明確，但較高的JSC和VOC表明該電池使用了MZO或類似的緩沖層，所以MZO與CdSeTe的聯合使用仍然被認為是實現高效CdTe薄膜太陽電池的關鍵。有研究表明，在CdTe前面直接沉積CdSeTe而不是CdSe的優點是形成非光活性CdSeTe的可能性變得更低[7]，如此可以引入更多的Se到電池中，從而可更好地微調帶隙梯度。

2 展望

CdTe作為帶隙為1.47 eV的半導體材料，具有較高的光吸收系數，非常適合制作高效率的光伏器件。CdTe薄膜太陽電池的理論光電轉換效率可以達到30%左右，經過幾十年的技術發展，目前小面積CdTe薄膜太陽電池的最高光電轉換效率已達到了22.1%，大面積組件的工藝也逐漸成熟。

對于目前的高效CdTe薄膜太陽電池而言，其JSC已接近理論極限值[38]，而VOC還有提升空間，雖然已有VOC超過1 V[39-40]的研究報道，但電池性能的全面提升仍極具挑戰。目前，CdTe薄膜太陽電池的主要研究方向涉及MZO緩沖層、含Se吸收層、吸收層摻雜改性和背接觸等方面，這具體關系到能帶匹配、載流子輸運、少子壽命、缺陷鈍化、界面勢壘等機制。

關于進一步提升CdTe薄膜太陽電池光電轉換效率，如何實現MZO緩沖層載流子濃度的增加及合適的界面勢壘是值得思考的問題；此外，根據向CdSe中引入O2的情況可以看出，O2對于CdTe薄膜太陽電池性能的影響也值得探究；對于吸收層摻雜改性的問題，通過V族元素的摻雜提高載流子濃度是突破低摻雜技術瓶頸的可行方向；選擇合適的背接觸形成良好的歐姆接觸，對CdTe薄膜太陽電池性能的影響也至關重要，將鎳鎂氧(NiMgO)這一新材料作為背接觸層的相關研究也已取得了一定進展。隨著CdTe薄膜太陽電池進一步的提效降本和光伏建筑一體化等新興領域的發展，CdTe薄膜太陽電池在未來將會有更多樣化的應用需求，極具市場潛力。

3 結論

本文從太陽電池的結構出發，分析了寬光譜響應的高效CdTe薄膜太陽電池的制備技術及研究進展，并對其發展進行了展望。作為最成功的產業化薄膜電池技術，CdTe薄膜太陽電池隨著新一輪的技術革新，小面積CdTe薄膜太陽電池的最高光電轉換效率已從16.5%快速提升至22.1%。CdTe薄膜太陽電池進一步的提效降本和光伏建筑一體化等新興領域的發展，有助于CdTe薄膜太陽電池在未來滿足更多樣化的應用需求，極具市場潛力。