碲化鎘（CdTe）薄膜太陽能電池因其高效率、良好的弱光性能和高溫穩(wěn)定性，非常適合用于建筑一體化光伏（BIPV）。為了進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本、緩解碲（Te）資源的稀缺性，并擴(kuò)大其在BIPV中的應(yīng)用，超薄CdTe光伏技術(shù)得到了發(fā)展。

超薄CdTe 太陽能電池的發(fā)展背景

全球碲（Te）及其他相關(guān)元素的年產(chǎn)量和儲(chǔ)量

碲（Te）的儲(chǔ)量與產(chǎn)量：全球碲儲(chǔ)量約為 47,000 噸，年產(chǎn)量相對較低。與鎵（Ga）、銦（In）、鎘（Cd）等元素相比，碲的儲(chǔ)量和年產(chǎn)量均處于較低水平。

優(yōu)勢：CdTe 薄膜太陽能電池具有高效、穩(wěn)定、弱光性能好等優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

挑戰(zhàn)：碲（Te）資源稀缺，生產(chǎn)成本高，且鎘（Cd）的環(huán)境影響受關(guān)注。

解決方案：開發(fā)超薄 CdTe 技術(shù)（吸收層厚度 < 1μm），減少材料消耗，降低成本，同時(shí)保持高效率。

超薄碲化鎘太陽能電池的結(jié)構(gòu)

電池結(jié)構(gòu)圖和載流子生成率計(jì)算圖

典型的CdTe太陽能電池的結(jié)構(gòu)：

玻璃基底

FTO（透明導(dǎo)電氧化物）

CdS 窗口層（n 型，厚度約 5μm）

CdTe 吸收層（p 型，厚度約 0.2μm）

背接觸層，該結(jié)構(gòu)為超薄設(shè)計(jì)，CdTe 吸收層厚度僅為0.2μm，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)2-8μm的厚度。

載流子生成率分布：

主結(jié)附近（0-1μm）：載流子生成率極高（峰值達(dá) 102?cm?3?s?1），表明大部分光子在此區(qū)域被吸收并產(chǎn)生載流子。

超過 1μm 后：載流子生成率驟降兩個(gè)數(shù)量級(jí)（降至 1023cm?3?s?1以下），說明光吸收效率顯著降低。

典型和超薄CdTe 太陽能電池的結(jié)構(gòu)對比

典型CdTe電池和超薄CdTe電池的結(jié)構(gòu)示意圖

典型 CdTe 電池結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)：玻璃基底 → TCO（如 FTO）→ 窗口層（如 CdS，厚度約 5μm）→ CdTe 吸收層（2-8μm）→ 背接觸 → 背電極（如 Au/Ni）。

特點(diǎn)：傳統(tǒng)厚膜設(shè)計(jì)，吸收層較厚，完全吸收入射光子。

超薄 CdTe 電池結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)：玻璃基底 → TCO → 窗口層（如 CdS）→超薄 CdTe 吸收層（<1μm）→ 背接觸 → 背電極。

特點(diǎn)：吸收層厚度顯著減小，部分光子穿透，需通過優(yōu)化其他層（如窗口層、背反射層）補(bǔ)償光吸收損失。

超薄CdTe器件的當(dāng)前與未來結(jié)構(gòu)對比

超薄CdTe器件的當(dāng)前與未來結(jié)構(gòu)對比

通過結(jié)構(gòu)對比，展示了超薄 CdTe 電池從當(dāng)前技術(shù)向未來高性能設(shè)計(jì)的演進(jìn)路徑。其核心在于通過材料創(chuàng)新（MZO、CdSeTe、As 摻雜）和結(jié)構(gòu)優(yōu)化（梯度帶隙、Cu-free 背接觸）突破效率瓶頸，為實(shí)現(xiàn) 18% 以上效率提供了可行方案。

吸收層厚度與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系

電池效率與吸收層厚度的關(guān)系及其量子效率（QE）特性

效率與吸收層厚度的關(guān)系：當(dāng)厚度<0.5μm時(shí)，效率顯著下降；0.5-1.0μm時(shí)效率相對穩(wěn)定；>1.0μm時(shí)效率趨于飽和。

不同厚度的量子效率（QE）：在600-830nm范圍內(nèi)，較薄電池的QE 斜率增加，表明缺陷導(dǎo)致的載流子復(fù)合增強(qiáng)。

不同厚度CdTe電池的穩(wěn)定性測試

不同厚度CdTe電池的穩(wěn)定性測試

四種不同厚度（0.7 μm、1.0 μm、1.5 μm和2.1 μm）的CdTe太陽能電池在85°C光照條件下的性能參數(shù)隨時(shí)間的變化。

經(jīng)過1000小時(shí)的光照測試，四種不同厚度的CdTe電池的主要性能參數(shù)（Voc、Jsc、FF和效率）均未出現(xiàn)顯著退化。這表明減少CdTe吸收層厚度對電池的穩(wěn)定性影響較小，超薄CdTe電池在長期使用中具有良好的穩(wěn)定性。

不同超薄CdTe器件結(jié)構(gòu)的示意圖

不同超薄CdTe器件結(jié)構(gòu)的示意圖

無 Cu 背接觸：解決 Cu 擴(kuò)散導(dǎo)致的界面復(fù)合和穩(wěn)定性問題。MoO?的高電阻導(dǎo)致串聯(lián)電阻（Rs）增加，F(xiàn)F 下降。

寬禁帶窗口層：ZnCdS 的帶隙（2.5-2.8 eV）大于 CdS（2.4 eV），減少對短波光子的吸收，提升 Jsc。ZnCdS 與 CdTe 的晶格失配可能引入缺陷，需優(yōu)化制備工藝。

梯度帶隙吸收層：CdSeTe 的低帶隙（1.38 eV）增強(qiáng)長波（>850 nm）吸收，拓寬光譜響應(yīng)。帶隙降低導(dǎo)致 Voc 下降，需平衡 Jsc 和 Voc 的增益。

通過三種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)展示了超薄 CdTe 電池的優(yōu)化路徑：無Cu背接觸解決穩(wěn)定性問題，寬禁帶窗口層提升短波響應(yīng)，梯度帶隙層增強(qiáng)長波吸收。

超薄碲化鎘（CdTe）異質(zhì)結(jié)薄膜太陽能電池是解決傳統(tǒng)光伏技術(shù)資源稀缺和成本問題的重要創(chuàng)新方向。通過將吸收層厚度降至1μm以下，該技術(shù)可減少50%-80%的碲消耗，同時(shí)利用CdTe 的高吸收系數(shù)維持高效光吸收。

通過材料創(chuàng)新（如 MZO 窗口層、CdSeTe 梯度帶隙吸收層）和結(jié)構(gòu)優(yōu)化（無 Cu 背接觸、As 摻雜），實(shí)驗(yàn)室效率已突破12%，并展現(xiàn)出在建筑一體化光伏（BIPV）和疊層電池中的應(yīng)用潛力。未來需進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝，平衡效率與穩(wěn)定性，推動(dòng)其商業(yè)化進(jìn)程。

美能QE量子效率測試儀

美能QE量子效率測試儀可以用來測量太陽能電池的光譜響應(yīng)，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應(yīng)偏低區(qū)域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測量范圍、測試的準(zhǔn)確性和可追溯性等優(yōu)勢。

兼容所有太陽能電池類型，滿足多種測試需求

光譜范圍可達(dá)300-2500nm，并提供特殊化定制

• 氙燈+鹵素?zé)?strong>雙光源結(jié)構(gòu)，保證光源穩(wěn)定性

通過測試不同厚度吸收層的量子效率，美能QE量子效率測試儀可精準(zhǔn)定位光吸收不足區(qū)域（如長波響應(yīng)衰減），指導(dǎo)梯度帶隙 CdSeTe 層的設(shè)計(jì)。此外，美能QE量子效率測試儀還能通過分析量子效率曲線的斜率變化，量化超薄層晶界缺陷對載流子復(fù)合的影響。該設(shè)備的應(yīng)用顯著加速了超薄 CdTe 電池的材料創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，助力突破效率瓶頸，推動(dòng)其在 BIPV 和疊層電池中的實(shí)際應(yīng)用。

原文出處：Research on ultra-thin cadmium telluride heterojunction thin film solar cells

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