CdTe的直接帶隙是1.45eV，這與太陽(yáng)光譜非常匹配，有利于光伏能量裝換。CdTe的的吸收系數(shù)高達(dá)105cm-1，99%的能量大于帶隙光子能被吸收在幾微米的CdTe薄膜中。高吸收系數(shù)保證了從紫外光到對(duì)應(yīng)于CdTe帶隙的825nm波長(zhǎng)的光量子產(chǎn)率。

CdTe作為光伏材料的另一個(gè)好處是制造技術(shù)的靈活性，能以高質(zhì)量多晶薄膜形式大面積制造。能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)16.5%的小面積CdTe電池及效率為11%的商用組件已分別在實(shí)驗(yàn)室證實(shí)和常規(guī)生產(chǎn)了。CdTe太陽(yáng)能電池正被證明是太陽(yáng)能電池市場(chǎng)最經(jīng)濟(jì)的太陽(yáng)能電池之一。由于載流子濃度比較低～1014cm-3并考慮到生長(zhǎng)高質(zhì)量多晶CdTe薄膜，CdTe太陽(yáng)能電池的吸收層厚度通常為5-10μm。從原理上講，把CdTe厚度減薄到～1μm或者亞微米能大大減少材料消耗，從而降低太陽(yáng)能電池生產(chǎn)成本。這對(duì)環(huán)境保護(hù)也是有利的，因?yàn)榘l(fā)生事故時(shí)會(huì)將Cd釋放到周?chē)h(huán)境中。本文報(bào)道吸收層厚度為5-0.5μm的CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的制作。

本研究中的CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)為玻璃/SnO2:F (FTO)/CdS/CdTe/Cu:Au/Ag 背電極。厚度約100nm的n型CdS窗口層用化學(xué)浴淀積（CBD）技術(shù)再FTO/玻璃襯底上制備，其方塊電阻是14Ω/sq。用自制的近空間升華（CSS）裝置在玻璃/FTO/CdS模板上制備CdTe吸收層。改變升華時(shí)間控制CdTe薄膜的厚度。然后把樣品與電池結(jié)構(gòu)上已蒸發(fā)的CdCl2薄層在空氣氛圍中進(jìn)行熱處理，接著在溴甲醇溶液中刻蝕。在真空室中用連續(xù)熱蒸發(fā)Cu和Au制備Cu:Au背接觸。最后在Cu/Au合金上刷銀漿作為背電極，再在150℃的爐子中烘干。本研究中的CdTe吸收層厚度控制在5、2.5、1和0.5μm。所有器件的光電流-電壓特性在標(biāo)準(zhǔn)的AM1.5情況下測(cè)量。

CdTe厚度為5和0.5μm的太陽(yáng)能電池的表面形貌及截面微結(jié)構(gòu)示于圖1?？梢钥吹?，對(duì)于5μm厚CdTe太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，吸收層由直徑1-3μm的密集堆積的CdTe晶粒組成。CdTe結(jié)晶質(zhì)量高以及形成的CdTe/CdS異質(zhì)結(jié)好使得能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)13.2%，如圖2(a)所示。對(duì)于0.5μm厚CdTe太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，見(jiàn)圖1(b)和(d)，CdTe晶粒尺寸幾乎減少一個(gè)數(shù)量級(jí)，為0.2～0.7μm。太陽(yáng)能電池效率是4.7%。如以后要討論的，效率的降低是因?yàn)榫Я１容^小的CdTe薄膜和CdTe/CdS結(jié)建立不完全。從圖2(d)的SEM截面圖像可以發(fā)現(xiàn)，0.5μm厚的CdTe有比較密集的堆積微結(jié)構(gòu)，這保證了比較高的短路電流18.6mA/cm2。與開(kāi)路電壓比較，吸收層厚度大于1μm的太陽(yáng)能電池的短路電流僅稍微下降，如圖2(a) 所示。

由于CdTe的高吸收系數(shù)，在光照射的CdTe薄膜一側(cè)上的載流子產(chǎn)生速率約是1028m-3/s，在進(jìn)入CdTe薄膜1μm光路徑中，它急劇減少為初始的0.01倍。這里報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算二者均證明，1μm厚的CdTe吸收層的厚度足以制造相當(dāng)高效的CdTe太陽(yáng)能電池。0.5μm厚的CdTe太陽(yáng)能電池電流減少僅部分歸因于吸收減少。如圖2(b)。對(duì)于波長(zhǎng)短于～825nm的高能光子（它們能在CdTe內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)），0.5μm厚的CdTe太陽(yáng)能電池的光吸收僅僅比5μm厚的CdTe太陽(yáng)能電池吸收的少4%。這種光吸收的不足將導(dǎo)致相應(yīng)光譜處量子效率降低。但是，以5μm厚的CdTe太陽(yáng)能電池作為參考電池，由于光吸收不足引起的太陽(yáng)能電池效率降低僅約0.5%。因此，效率降低主要?dú)w因于開(kāi)路電壓和填充因子的減少，在圖2(a)可以看到這一點(diǎn)。

隨著CdTe厚度減少，波長(zhǎng)大于～825nm的光透射很快增加。5、2.5、1和0.5-μm厚CdTe太陽(yáng)能電池的二極管質(zhì)量因子分別為1.89、2.73、2.75和3.87，二極管質(zhì)量因子是用J-V曲線以Hegedus和Shafarman9描述的數(shù)學(xué)分析方法計(jì)算出來(lái)的。這里報(bào)告的較薄CdTe電池大于2的二極管質(zhì)量因子比實(shí)際值人為地提高了，因?yàn)樵谟?jì)算它們時(shí)假定光電流維持等于短路電流值的恒定數(shù)。但是當(dāng)載流子壽命短時(shí)，光電流不再是恒定值，而是與電壓有關(guān)。對(duì)于0.5-μm厚CdTe太陽(yáng)能電池，推導(dǎo)出的二極管質(zhì)量因子值3.87僅僅是多晶硅微結(jié)構(gòu)建立不完善和CdS/CdTe異質(zhì)結(jié)泄漏嚴(yán)重的表征。5-μm厚CdTe太陽(yáng)能電池的二極管質(zhì)量因子值1.89表明，結(jié)電流是受Shockley-Read-Hall復(fù)合理論支配的。

在這種器件中，二極管質(zhì)量因子受中帶隙態(tài)密度和/或高帶隙態(tài)密度支配。帶隙態(tài)密度的減少會(huì)導(dǎo)致二極管因子減少和電池性能提高。對(duì)于15%效率的CdTe太陽(yáng)能電池，報(bào)道的二極管質(zhì)量因子值是1.54。能量轉(zhuǎn)換效率13.2%與二極管質(zhì)量因子1.89（串并聯(lián)電阻1142Ω-cm2）一起表明，CdS/CdTe結(jié)很好地形成了，CdTe吸收層的結(jié)晶質(zhì)量對(duì)于5-μm厚CdTe太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)相當(dāng)好。隨著吸收層厚度的減少，5、2.5、1和0.5-μm厚的CdTe太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓分別從745mV下降到628、598、575mV。Voc隨厚度下降而下降是比較大的漏電流和背接觸附近載流子復(fù)合損失引起的。不同厚度太陽(yáng)能電池的暗J-V曲線示于圖3。電壓為-1.5V時(shí)5-μm厚CdTe太陽(yáng)能電池的漏電流是21μA。0.5-μm厚CdTe太陽(yáng)能電池的漏電流急劇增加，CdTe表面在溴甲醇溶液中刻蝕后更為嚴(yán)重，而對(duì)于5-μm厚CdTe太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，漏電流僅稍微增加，如圖3(b)所示。化學(xué)刻蝕期間，較薄的CdTe太陽(yáng)能電池中產(chǎn)生分流路徑的可能性比在較厚的電池中高得多。

CdS/CdTe太陽(yáng)能電池的空間電荷區(qū)比較寬，～2-4μm，這是因?yàn)镃dTe吸收層的載流子密度比較低，～1×1014cm-3。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，采用較薄CdTe的器件容易形成分流路徑，這使開(kāi)路電壓及填充因子減少。原理上，對(duì)于0.5-μm厚CdTe太陽(yáng)能電池，空間電荷區(qū)會(huì)一直達(dá)到CdTe的背接觸。因此，表面/界面態(tài)能以與Ns/d成比例的密度作同等摻雜，這里，Ns和d分別是表面/界面態(tài)密度和CdTe厚度。

與較厚的電池比較，在較薄的CdTe太陽(yáng)能電池中微結(jié)構(gòu)與電學(xué)品質(zhì)二者的微均勻性更難達(dá)到。較薄的CdTe太陽(yáng)能電池容易形成低Voc微二極管，這些微二極管會(huì)在與主結(jié)方向相反的方向極大地通過(guò)電流，導(dǎo)致Voc和填充因子低。以5-μm厚CdTe太陽(yáng)能電池作為參考電池，可以估計(jì)，0.5-μm厚CdTe太陽(yáng)能電池大為增加的漏電流將使Voc降～100-300mV。對(duì)于5和0.5厚CdTe太陽(yáng)能電池，并聯(lián)電阻分別從1142Ω-cm2降到103Ω-cm2。在化學(xué)刻蝕前及刻蝕期間，晶粒尺寸小得多的0.5μm厚CdTe電池中比在5-μm厚CdTe電池中產(chǎn)生分流路徑要容易得多，見(jiàn)圖3。

用對(duì)表面靈敏的XPS和拉曼（Raman）散射分析CdTe吸收層表面，示于圖4。0.5及1μm厚CdTe太陽(yáng)能電池二者均在～168eV處顯示從SO4離子的強(qiáng)S 2p峰。硫原子來(lái)自CdTe生長(zhǎng)期間CdS和CdTe的互擴(kuò)散及相關(guān)的合金反應(yīng)。CdTe吸收層厚度增加時(shí)，擴(kuò)散到CdTe背面區(qū)域的S數(shù)量減少。請(qǐng)注意，與0.5μm厚CdTe電池比較，1μm厚CdTe電池的CdS化合物的S 2p 峰顯得更強(qiáng)，這是很有意思的。這表明，從CdS窗口層到CdTe吸收層發(fā)生了比較強(qiáng)S擴(kuò)散，擴(kuò)散中的S與CdTe反應(yīng)形成CdSxTe1-x化合物。

我們過(guò)去的研究說(shuō)明，在CdS/CdTe 界面發(fā)生了相當(dāng)強(qiáng)的互擴(kuò)散，在CdSXTe1-X合金中發(fā)現(xiàn)～9% 的硫組分。對(duì)于0.5μm厚CdTe電池，由于生長(zhǎng)時(shí)間比較短（～30秒），互擴(kuò)散及CdS和CdTe間的相關(guān)反應(yīng)不夠，使得XPS S 2p強(qiáng)度比1μm厚CdTe電池低。結(jié)合能172.3和171.2eV的雙峰認(rèn)為是由于亞硫酸氫HSO4-造成的，HSO4-是通過(guò)CdTe表面上形成的硫酸鹽表面周?chē)h(huán)境分子水的吸收和分解形成的。拉曼散射測(cè)試表明，0.5μm厚CdTe電池在123cm-1處有比較強(qiáng)的Te拉曼峰，且該峰強(qiáng)度隨CdTe薄膜厚度的增加而減小。

Te來(lái)自CdTe源升華反應(yīng)CdTe→2Cd+Te2。作為CdTe薄膜中的析出物存在，因較薄CdTe薄膜生長(zhǎng)時(shí)間短，Te來(lái)自形成CdTe的Te2與Cd的不完全反應(yīng)。應(yīng)該注意，與CdTe的比較，Te的散射截面至少要大二個(gè)數(shù)量級(jí)。所以，0.5μm厚CdTe電池觀察到相當(dāng)?shù)腡e和CdTe拉曼強(qiáng)度并不一定意味著在吸收層薄膜中相當(dāng)?shù)腡e和CdTe材料含量。薄CdTe太陽(yáng)能電池Voc及填充因子的降低也可能是由從背接觸擴(kuò)散進(jìn)入CdTe中的Cu引起的。Cu是P型CdTe中的易擴(kuò)散材料，它不局限于背接觸層中。相當(dāng)多數(shù)量的Cu可能擴(kuò)散到CdTe和CdS層中，對(duì)于吸收層厚度在微米級(jí)的薄CdTe太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)尤其如此。多余的Cu在CdTe中產(chǎn)生大大降低Voc及填充因子的復(fù)合中心。

總之，對(duì)于1μm厚CdTe太陽(yáng)能電池得到7.9%的效率。1μm厚CdTe太陽(yáng)能電池吸收幾乎所有的光，光子能量高于帶隙的～99%的太陽(yáng)光譜。1μm厚CdTe太陽(yáng)能電池中載流子傳輸機(jī)理由空間電荷區(qū)內(nèi)的Shockley-Read-Hall復(fù)合支配，1μm厚CdTe太陽(yáng)能電池在本研究中是作為參考太陽(yáng)能電池。吸收層厚度減少到1μm以下時(shí)，由于微米級(jí)結(jié)構(gòu)和電學(xué)的不均勻性，相當(dāng)容易產(chǎn)生分流途徑?？臻g電荷區(qū)內(nèi)的復(fù)合中心密度因建立不完善的CdS/CdTe和從背接觸來(lái)的Cu擴(kuò)散而增加。本研究用實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)前采用厚度6-8μm的吸收層CdTe可以減少到～1μm，仍能達(dá)到比較好的效率。這使CdTe太陽(yáng)能電池?zé)o論是制造成本還是環(huán)境保護(hù)上均在光伏應(yīng)用中更具競(jìng)爭(zhēng)力。