牟艷男，高孝成，陳利強(qiáng),2，皮艷梅，楊玉蓉

(1.黑河學(xué)院 理學(xué)院，黑龍江 黑河 164300；2.黑龍江大學(xué) 化學(xué)化工與材料學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

近年來，日益嚴(yán)重的能源危機(jī)使得太陽能電池受到人們的廣泛關(guān)注。碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)和硫化鉛(PbS)等半導(dǎo)體材料能有效地將太陽能轉(zhuǎn)換成電能[1-2]，適宜做光伏電池的吸收層。其中CdTe的禁帶寬度約為1.45 eV, 厚度為1 μm的CdTe就可以吸收95%以上的可見光[3]。但在制備CdTe太陽能電池時(shí)發(fā)現(xiàn)CdTe與金屬電極間會(huì)形成肖特基結(jié)，此高電阻的勢(shì)壘的存在阻礙了光生電荷的輸運(yùn)，影響到太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。為了降低或者消除這一勢(shì)壘，在金屬電極與CdTe之間引入背電極材料即歐姆接觸層受到人們的關(guān)注。First Solar公司采用電沉積方法在CdTe層上獲得了NiTe2薄膜[4]。NiTe2薄膜有效地提高了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，另外，太陽能電池的穩(wěn)定性也得到了改善[5]，此外，鎳碲化合物(NiTex)作為背接觸層還可以有效地阻止作為電極的金屬材料向CdTe中進(jìn)行擴(kuò)散，避免CdTe因與金屬發(fā)生反應(yīng)而成為富鎘(Cd)的N型材料。化學(xué)組成、焙燒溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)功能材料的性能影響很大[6-7]。本文采用熱蒸發(fā)法將碲(Te)粉蒸鍍到Ni片上，在較高的溫度下獲得NiTe和NiTe2薄膜, 對(duì)其導(dǎo)電性進(jìn)行了測(cè)試，并將其作為背接觸層材料應(yīng)用到CdTe太陽能電池中。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 NiTex薄膜的制備

制備NiTex薄膜的具體設(shè)備見圖1。首先將管式爐中的氣體抽出，再充入氮?dú)?N2)作為保護(hù)氣, 將純度為 99.999 %的Te粉放置在尺寸為6 cm×3 cm×1 cm的瓷舟中，然后將預(yù)先洗凈的干燥的Ni片放置在Te粉的正上方。加熱從室溫開始，升溫速率約為15 ℃/min，當(dāng)溫度升到550 ℃時(shí)開始計(jì)時(shí)，在550 ℃下分別維持0 min，30 min和60 min之后關(guān)閉管式爐，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫后取出樣品，用N2吹掉表面附著的顆粒后快速置于冰水混合物中，迅速將薄膜從Ni片上剝離，再用N2吹干，備用。將上述3個(gè)樣品分別命名為S1，S2和S3。

圖1 NiTex薄膜的制備裝置Fig.1 Schematic of apparatus of NiTex films

1.2 CdTe薄膜的制備

為了進(jìn)行光電性質(zhì)測(cè)試，采用絲網(wǎng)印刷的方法在NiTex薄膜上制備CdTe薄膜。以99.999%純度的市售CdTe粉末作為原材料獲得漿料，將2 g CdTe粉末與含0.02 g的氯化鎘(CdCl2)以及適量的丙二醇完全混合。CdCl2為助熔劑，丙二醇為粘合劑。選擇合適的力度和角度分別在樣品S1、S2和S3上進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，將絲網(wǎng)印刷好的薄膜放置在干燥箱中，在190°C下干燥2 h，取出后在450 ℃下熱處理1 h，備用。

1.3 測(cè)試儀器及參數(shù)

采用日本理學(xué)電機(jī)公司生產(chǎn)的X射線衍射儀(JSM-6700F)對(duì)樣品進(jìn)行XRD測(cè)定，Cu靶Ka線入射波長為λ= 0.154 06 nm, 2θ掃描范圍為25°～80°, 掃描速度為10°/min；采用Keithley 2400測(cè)試樣品的電學(xué)性質(zhì)。采用三電極體系來研究所制備的NiTex/CdTe復(fù)合薄膜的光電轉(zhuǎn)換性質(zhì)。測(cè)試裝置為電化學(xué)工作站。對(duì)電極是Pt網(wǎng)，選用Ag/AgCl電極作為參比電極，將所制備的NiTex/CdTe樣品作為工作電極。以氙燈來模擬太陽光(Pin=100 mW/cm2)。將0.35 mol/L的Na2SO3和0.25 mol/L的 Na2S的水溶液裝入電解池中作為電解液。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

對(duì)NiTex進(jìn)行了XRD表征，其結(jié)果見圖2。保溫時(shí)間為0 min 所制備的樣品S1的XRD圖譜見圖2(a)，圖2(a)中2θ為30.90°, 33.45°，43.04°, 46.25°, 56.30°， 58.29°，64.76°，70.19°，76.08°和 77.14°的衍射峰的峰位及相對(duì)強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)的卡片(JCPDS 65-9466)一致，并且未出現(xiàn)其他雜峰，說明該條件下生成了NiTe薄膜。保溫時(shí)間為30 min所獲得的樣品S2的XRD圖譜見圖2(b)，由圖2(b)可見，除了NiTe(*標(biāo)注)的衍射峰外，在2θ為27.35°, 32.14°, 34.84°, 44.18°, 47.15°, 51.93°, 57.20°, 58.29°, 66.12°，71.86°，78.22°的位置出現(xiàn)了新的衍射峰，衍射峰的峰位及相對(duì)強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)的卡片(JCPDS 88-2278)一致，即出現(xiàn)了NiTe2的衍射峰，該條件下獲得了NiTe相和NiTe2相兩相共存的混合薄膜，這說明隨著反應(yīng)時(shí)間的延長NiTe在向 Ni2Te轉(zhuǎn)變。保溫時(shí)間為60 min所獲得的樣品S3的XRD圖譜見圖2(c)，由圖2(c)可見，當(dāng)繼續(xù)延長保溫時(shí)間達(dá)到60 min時(shí)，NiTe的衍射峰完全消失，并且不存在其它雜峰，僅有NiTe2相。這說明隨著保溫時(shí)間的延長，NiTe完全轉(zhuǎn)變?yōu)镹iTe2相。綜上所述，隨著保溫時(shí)間的延長，NiTex薄膜的相變規(guī)律為Te→NiTe→NiTe+NiTe2→ NiTe2。

圖2 NiTex薄膜XRD圖譜 Fig.2 XRD figure of NiTex films

2.2 電學(xué)性質(zhì)分析

為了測(cè)試上述3個(gè)樣品的電導(dǎo)率，首先用高電導(dǎo)率的導(dǎo)電銀漿將銅絲與樣品上下表面連接起來，兩連接點(diǎn)間的直線距離為1 cm，隨后將導(dǎo)線與Keithley 2400接通。3個(gè)樣品的測(cè)試結(jié)果均為過原點(diǎn)的直線，這說明采用上述實(shí)驗(yàn)方法獲得的樣品電壓與電流呈線性關(guān)系(圖3)。根據(jù)直線的斜率算出3個(gè)樣品的電導(dǎo)率(σ)(表1)。由表1可見，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，電導(dǎo)率呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。樣品S1、S3的電導(dǎo)率分別為0.11、0.7 S/cm, 樣品S2的電導(dǎo)率最大。這說明反應(yīng)時(shí)間改變了化學(xué)組成的同時(shí)也對(duì)電導(dǎo)率造成了很大的影響，兩相共存有利于提高樣品的電導(dǎo)率。

圖3 NiTex薄膜I-V特性曲線Fig.3 I-V characteristic curve of NiTex films

表1 不同反應(yīng)時(shí)間下的NiTex薄膜的電導(dǎo)率Table 1 Conductivity of NiTex films with different reaction times

2.3 光電性質(zhì)分析

在S1、S2和S3上采用絲網(wǎng)印刷法制備CdTe后的復(fù)合薄膜S1/CdTe(a)、S2/CdTe(b)和S3/CdTe(c)的J-V特性曲線見圖4。由圖4可見，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,短路電流密度Jsc呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，即樣品S2/CdTe的短路電流密度最高，開路電壓Voc同樣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

圖4 J-V特性曲線Fig.4 J-V characteristic curve

由圖4可見，以樣品S2/CdTe作為工作電極測(cè)得的電池的開路電壓(Voc)為0.59 V，短路電流密度(Jsc)為4.87 mA/cm2。以樣品S1/CdTe和S2/CdTe作為工作電極測(cè)得的電池的短路電流分別為1.35 mA/cm2和2.33 mA/cm2。電池S2/CdTe的光電性能的提高是因?yàn)楫?dāng)反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)，樣品S2是由NiTe和NiTe2兩種物質(zhì)組成，其導(dǎo)電性優(yōu)于S1和S3。 此外，在背電極材料NiTe2在NiTe與CdTe之間形成了過渡層，有利于光生載流子的傳輸，而且從XRD圖也可見樣品S2良好的結(jié)晶性有利于光生載流子的分離和傳輸，從而使Jsc大幅度增加。

3 結(jié) 論

采用熱蒸發(fā)的方法獲得了NiTex薄膜,并在其表面絲網(wǎng)印刷了CdTe薄膜，研究了NiTex作為背接觸層對(duì)CdTe太陽能電池性能的影響。研究表明反應(yīng)時(shí)間導(dǎo)致NiTe→NiTe+NiTe2→ NiTe2相轉(zhuǎn)變的發(fā)生; 反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)獲得的樣品的Jsc最高(4.87 mA/cm2)，分別是電池S1/CdTe和 S3/CdTe的Jsc的3.6倍和2.1倍。引入背電極材料NiTe+NiTe2有望進(jìn)一步提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。