薄膜太阳能电池怎么封装？看懂CdTe等材料的选择
前言
第三代能量收集技术包括所有基于薄膜的太阳能电池，以及包括燃料和量子点敏化太阳能电池的激子光伏器件。
基于燃料和量子点光伏器件是电化学太阳能电池技术中的重要类别，因为它们具有更高的性能和更低的成本。
研究了在不同能量范围表现出光吸收的各种染料和量子点，以开发具有不同电解质的电化学太阳能电池技术。
包括燃料在电子受体上的吸附和稳定性、电解质的挥发性和腐蚀性在内的各种技术挑战是光电化学太阳能电池技术发展路线图中的几个主要障碍。
CdTe、CdS和CdSe的量子点正被用作激子太阳能电池中的主要光吸收候选物，其中宽带隙半导体作为电子受体，例如TiO2和ZnO.
CdTe由于其最佳的带隙能量和其他吸引人的光电特性而被认为是薄膜太阳能电池中潜在的能量收集材料候选之一。
CdTe与CdS一起广泛用作异质结薄膜太阳能电池中的窗口层(带隙为2.5 eV)。
据预测，与其他基于薄膜的太阳能电池相比，基于CdTe的薄膜光伏技术将能够实现更好的能量回报时间。
通过使用合适的低成本材料，使能量收集技术更加可行和负担得起是一项基本要求。
当其他电化学太阳能电池在稳定性和光吸收方面遇到主要问题时，CdTe薄膜可以被认为是高度稳定的，可以用于在可见光谱能量窗口中收集光子。
包括近空间升华、化学浴沉积和金属有机化学气相沉积的各种材料处理技术被有效地用于沉积用于太阳能电池应用的CdTe薄膜。
效率为16.5%的CdTe太阳能电池组件(η)具有1厘米的有效面积2并且在1400厘米的区域中为10.5%2.
在包括高温和光照在内的恶劣环境下，对CdTe基薄膜太阳能电池进行了加速测试，除了提出的几个问题外，这些材料显示出了良好的稳定性和寿命。
CdTe薄膜太阳能电池采用Cu作为背接触，并且已经观察到Cu通过CdTe晶界的扩散是在一定程度上影响其性能和稳定性的主要问题之一。
已经采用各种沉积方法来涂覆用于能量收集应用的CdTe薄膜，具体来说量子限制的CdTe被涂覆在TiO上2通过连续的离子层吸附和反应。
报道了合理的光伏性能值.CdTe和传统的有机染料一起作为TiO的共敏化剂进行了探索2太阳能电池已经显示出有前途的光电性能。
SPD是一种通用的材料加工技术，广泛用于光伏研究，以涂覆各种功能材料，包括透明导体氧化物和电子受体。
人们已经认识到，对于与能源相关的应用，SPD可能是薄膜和厚膜生产的潜在技术，SPD在为所需材料沉积选择前体和沉积温度方面提供了广泛的选择。
目前的工作证明了建立基于所有SPD基光阳极的光电化学太阳能电池技术的可能性，所述光阳极包括CdTe薄膜涂覆的TiO2纳米颗粒层和我−/I3−氧化还原对作为空穴传输层。
采用异质CdTe–TiO的光电化学太阳能电池2异质光阳极和I−/I3−制造作为空穴传输层的电解质，并对CdTe的1、3、5和10次SPD循环进行表征，以检验CdTe层厚度对性能的影响。
结果显示了为光电化学太阳能电池技术建立所有基于SPD的纳米结构光阳极(电子受体和光活性半导体)的可能性。
实验的
两个TiO2本文报道的CdTe薄膜是用SPD技术(KM-150，日本SPD实验室公司)制备的。
为了TiO2二氧化钛胶体溶液的沉积2通过将5毫升乙酸和50毫升异丙醇钛与40毫升异丙醇混合来制备。
该溶液用作在110℃下直接在掺氟氧化锡(FTO)涂覆的玻璃基底上进行SPD涂覆工艺的前体。
SPD涂覆的TiO2薄膜在450℃退火1小时，用于在TiO上沉积CdTe20.25 mM硝酸镉四水合物和0.25 mM二氧化碲用作前体。CdTe的SPD过程在100℃下进行。
使用CdTe涂覆的TiO制备光电化学太阳能电池2在FTO作为光阳极，我−/I3−电解质作为空穴传输层，涂有铂薄膜的玻璃衬底作为对电极。
x射线光电子能谱用于确认SPD处理的CdTe和TiO2使用奎托斯分析装置。拉曼光谱在TiO上进行2和CdTe样品，使用Witec共焦拉曼-300 AR光谱仪，激发波长为532 nm。
二氧化钛的表面形态2-和CdTe涂覆的TiO2使用JSM-6490-LA通过扫描电子显微镜(SEM)研究薄膜。
Perkin Elmer Lambda-750用于研究SPD处理的TiO的吸光度和透射率特性2和CdTe薄膜。
Newport Oriel级太阳模拟器用于研究电流密度-电压(J–V2)使用Keithley 2400数字源表在AM 1.5照明下的测量。
结果和讨论
数字1a显示了在异质CdTe–TiO上获得的XPS调查扫描2在太阳能电池中用作光阳极的薄膜。
宽巡天光谱证实镉、碲和氧分别在404.3、575和531.3电子伏。在284.3 eV处发现碳作为杂质存在于膜中。
由于TiO上CdTe层的厚度，对应于钛(Ti 2p)的特征峰没有出现在测量光谱中2多孔薄膜。
用于XPS研究的特定样品在TiO上使用了5个循环的CdTe2由于XPS的限制，在异质CdTe–TiO中没有发现Ti 2p态2样本。
对样品进行高分辨率XPS扫描，以检查异质膜中的组成元素。1b表示Cd 3d状态的双重分裂。
Cd 3d5/2和3d3/2观察到的态分别为404.9和411.6 eV。数字1c显示Te 3d5/2和3d3/2分别为575.9和586.3电子伏。对应于Cd 3d和Te 3d状态的主要特征峰确保了SPD处理的CdTe薄膜。
如从CdTe涂覆的TiO获得的测量光谱所示2样品中，由于在TiO上存在CdTe，所以没有注意到Ti 2p2。
因此，我们在纯TiO上进行XPS2其上没有CdTe层以确认Ti 2p的存在。1d.Ti 2p3/2和Ti 2p1/2在结合能值分别为459.3和465.1 eV时观察到了态。
插图显示了从CdTe涂覆的TiO获得的高分辨率XPS扫描2在相同结合能范围内的膜没有显示出Ti 2p特征，这进一步确保了CdTe膜在TiO上的适当表面覆盖2。
在结合能值为530.5和532.5 eV处显示两个峰的O 1s高分辨率光谱分别代表氧与金属氧化物和金属碳酸盐。
使用两个高斯峰拟合进一步解卷积这两个峰，这确保了各自的结合能值对应于SPD处理的非均相CdTe–TiO中氧与金属和碳酸盐的配位。
数字2显示了从a TiO获得的拉曼光谱2和b CdTe样品。在157、400和520厘米处观察到四种拉曼活性模式− 1对于TiO2分别对应于带隙和其他模式。这四种拉曼活性模式.代表锐钛矿纳米晶TiO2。
在166、333和460 cm处观察到纵向光学(LO)模式以及二阶和三阶− 1，分别为。
这些拉曼模式表明，它可以是多晶CdTe的立方或六方相，因为两者都在相同的频率下表现出LO模式。
数字3显示了显示从CdTe涂覆的TiO获得的横截面视图的SEM图像2样本，薄膜厚度估计约为15 m。
SPD涂层纯TiO的表面形貌2-和CdTe覆盖的TiO2检查样品以了解所得异质膜的物理性质。
数字3b显示了二氧化钛的表面形态2在10，000 ×下获得的薄膜显示了本体中的高度多孔性，这可以通过生长期间形成的簇清楚地观察到。
TiO2薄膜包括不同尺寸的颗粒和形成簇的附聚物，并且簇的尺寸为微米量级。此外，TiO的形态2薄膜断言随机分布的TiO2颗粒形成松散堆积的团簇，观察到这些团簇彼此连接良好，这可以被认为是基于纳米颗粒的太阳能电池中电子受体的基本要求。
显示了CdTe涂覆的TiO的表面形态2分别在10，000 ×和20，000 ×获得的胶片。
自从TiO2薄膜本身被观察为多孔纳米颗粒网络，CdTe沉积在多孔TiO上2简单地覆盖表面，得到介孔异质CdTe–TiO2光阳极。
CdTe涂层二氧化钛的中孔性2可以通过表面形貌图像来确认，3这可以看作是SPD处理的CdTe/TiO的随机分布的介观簇2异类电影。
此外，CdTe/TiO的介观团簇2通常被期望为光生电子从CdTe到TiO提供有效的电荷传输路径2通过基于扩散的传输过程到达FTO电极。
CdTe包覆二氧化钛的介孔性质2由于在TiO和TiO之间形成大表面积电化学结方面的优势2/CdTe和我−/I3−电解质。
在SEM图像中观察到的中孔形态表明−/I3−电解质离子可以扩散到CdTe覆盖的TiO中2来制造空穴传输过程。
在SPD工艺中，最初，TiO2层沉积在FTO衬底上，并在大气条件下在450℃退火4小时。
CdTe涂层二氧化钛的横截面和表面形貌2证明底部TiO2层本质上是多孔的，CdTe通过该层扩散到主体中，并涂覆在表面上以形成包含TiO的异质光电极叠层2/CdTe。
CdTe和TiO2样品通过SPD沉积在裸露的玻璃基底上，用紫外-可见光谱研究它们的光学性质。
数字4a显示了通过SPD处理的CdTe薄膜样品的数字照片，显示了1、3、5和10次沉积循环，以检测厚度对所得光电化学太阳能电池的光伏性能的影响。
图像显示了由于从1到10个循环开始厚度增加而引起的对比度变化，其中样品在中间范围的3和5个循环中处理。
虽然在1至3个循环之间的对比度异常清晰，但是更高的循环数使膜颜色饱和。对于肉眼来说，观察到玻璃衬底上的所有四种CdTe膜都是高度光滑和连续的。
观察到该膜没有针孔并且高度均匀，对这四种薄膜进行了紫外-可见光谱研究，以检测它们的光学性质。
数字4b显示了CdTe薄膜在350–800纳米波长范围内1、3、5和10个周期的光学吸收光谱,观察到膜的吸光度随着厚度的增加而系统地增加。
所有四个样品的吸收光谱的特征是相似的，但是由于厚度的变化而在数量上不同。
特别地，10个SPD循环在所有四个样品中产生最大可能的吸光度，清楚地阐明了厚度对捕获更多光子的能力的影响。
数字4c显示了相同的四个CdTe样品的透射率，这进一步证实了样品厚度对透射率的影响。
由于CdTe厚度的差异导致的透射率变化与吸收光谱非常一致.与预期的其他样品相比，1个SPD周期的CdTe样品显示出最大透射率。
显示了CdTe和TiO的计算光带隙值2使用Tauc绘图技术，(αhν)1/2与入射能量的关系，分别显示为1.5和3.1 eV。
重要的是要注意TiO2因为宽带隙(3.1 eV)材料不与可见太阳光谱中的光子相互作用，而CdTe作为窄带隙(1.5 eV)材料与可见能量光子相互作用。
在这项研究中，TiO2被用作电子受体，而CdTe被认为是主要的光敏半导体。两层的光学吸收率、透射率特性以及光学带隙值表明SPD处理的异质CdTe–TiO2且可以是光电化学太阳能电池应用良好选择。
光带隙接近1.5 eV的半导体，例如CdTe，在可见光谱范围内表现出主要的光吸收。
目前的研究显示在300 nm附近有吸收，这可能是由于TiO的扩散2其具有用于高能光吸收的最佳带隙。
此外，多相TiO的形态2–CdTe薄膜是随机分布的纳米颗粒网络，可以促进光扩散，通过光扩散可以增强光散射，从而实现高效吸收。
本研究中报告的关键参数值表明，有些值比以前报告的值好得多，但有些则不然。
然而，本研究探索了制造完整的光阳极(TiO2–CdTe ),结果表明实现具有良好性能指标的太阳能电池的可行性。
CdTe的准费米能级和电解质的氧化还原电位之间的能量差，预期使用10个循环的CdTe的细胞可以产生更高的仅由于CdTe厚度的增加，与其他电池相比的值。
增加厚度为光子提供了更好的机会被俘获在层中，在层中它们可以产生更多的光子，这导致电池中电流的提高。
结果表明CdTe的1个SPD613毫安厘米− 2平均四个细胞，从CdTe的10个SPD周期获得的值是829 mA cm− 2。
阐明了通过将CdTe涂层从1次SPD循环改变到10次循环，可以获得35%的变化来平均值中的单元格值。
结果表明，在TiO表面存在一个最佳的CdTe厚度2通过其可以实现有效的光吸收、激子产生和电荷注入，从而获得改善的光伏性能。