密闭空间升华沉积的超薄CdSeTe/CdTe太阳能电池以增强短路电流密度和光致发光

在碲化镉吸收层中添加碲化镉硒对提高光伏效率具有重要意义。采用超薄层可实现更高的效率并节省材料，从而推动光伏和可再生能源的发展。自动化在线近空间升华沉积（CSS）的主要优势在于，近空间升华过程快速，且自动化沉积可确保器件间具有良好的重现性。

近距离升华法解决了太阳能电池薄膜吸光层沉积过程中的一个难题。该难题在于，薄膜沉积过程可能相当缓慢，而采用近距离升华法能够以更快的速率完成沉积，从而在一天内制造更多的太阳能电池。这种沉积方法对于其他类型的薄膜沉积也非常有用，因为在许多情况下，暴露于大气环境是不可取的。

与任何制备系统一样，最初应由有经验的使用者进行指导，这是非常可取的。由于这些双层吸收层光伏器件的制备涉及多个步骤，因此在每个阶段之后对样品进行观察，对于理解所需薄膜的视觉特性至关重要。首先使用手持式气吹器轻轻去除已用永久性记号笔标记的洁净透明导电氧化物涂层基底上的任何灰尘颗粒，然后使用带橡胶尖的镊子将洁净的基底以透明导电氧化物面朝下的方式装载到样品台上。

关闭装载锁室门后，对装载锁室抽真空，直至其压力表读数低于5 × 10⁻² 托，然后关闭装载锁室泵。打开装载锁室闸阀，待压力平衡后，手动插入转移臂，使样品位于闭合的阴极快门上方。在计时器上设定所需的沉积时间，并在手动打开快门的同时开始计时。

计时器响起后立即关闭快门，并在关闭装载锁门和卸载样品前完全缩回传输臂。为获得氧化锌镁的沉积速率，使用浸有甲醇的棉签从见证样品上清除标记物，并用轮廓仪测量其厚度。对于吸收层的近空间升华，将沉积系统中的上部和下部源设置适当的温差，以实现材料的正常升华。

使用手持式气吹器轻轻去除洁净的氧化镁锌和透明导电氧化物涂层衬底上的任何灰尘颗粒，并将洁净的衬底以氧化镁锌面朝下的方式装载到样品支架上。关闭负荷锁门后，打开负荷锁粗抽开关，对负荷锁进行抽真空。在抽真空过程中，设定碲化镉监测样品的沉积程序：在预热源中停留110秒，使玻璃升温至约480摄氏度；在碲化镉源中停留110秒，进行碲化镉沉积；在氯化镉源中停留180秒，对多晶碲化镉进行钝化处理；在退火源中停留240秒，促使氯化镉扩散进入吸收层；最后在冷却源中停留300秒。

当装载锁被抽真空至低于 40 毫托时，打开闸阀并在软件中启动沉积程序。传输臂将自动移动至预设位置，并在完成后返回原点。沉积完成后，向装载锁充气至大气压，然后打开装载锁门。

当样品冷却至可安全操作时，使用无绒布将其取下。用去离子水冲洗薄膜表面可见的氯化镉残留物，并将其冲洗液收集至带刻度的烧杯中，然后用压缩氮气吹干薄膜。接着使用剃刀刮取少量碲化镉材料脱离基底，并利用表面轮廓仪测量碲化镉薄膜的厚度，以确定沉积速率。

当负荷锁压力低于40毫托时，在软件中运行烘烤程序。烘烤完成后，设定硒化镉碲化镉监测样品的沉积程序以确定厚度。在预热源中设置140秒的驻留时间，将玻璃加热至约540摄氏度，在硒化镉碲化镉源中设置300秒进行硒化镉碲化镉沉积，在冷却源中设置300秒。

当负荷锁压力降至40毫托以下时，执行沉积程序。硒化镉碲薄膜沉积完成后，使用无尘布取出冷却的样品，并刮除一小部分材料，利用轮廓仪测定硒化镉碲的沉积速率，方法如前所述。为制备1.5微米厚的单层碲化镉吸光层，需根据已测定的碲化镉沉积速率以及先前为超薄吸光层优化的氯化镉处理工艺，设定沉积程序。

预热保持时间为110秒，碲化镉保持时间为60秒，氯化镉保持时间为150秒，退火时间为240秒，冷却时间为300秒。当负载锁压力降至40毫托以下时，打开负载锁闸阀并选择启动。程序将自动运行所选的沉积工艺，在冷却步骤完成后返回初始位置。

为制备一层0.5微米的硒化镉碲化镉和一层1.0微米的碲化镉双层吸收层，根据吸收层的沉积速率设定沉积程序，预热保温时间为140秒，硒化镉碲化镉保温时间为231秒，碲化镉保温时间为50秒，氯化镉保温时间为150秒，退火时间为240秒，冷却时间为300秒。当负载锁压力降至40毫托以下时，执行沉积程序。程序完成后，待样品冷却，按演示方法取出样品。

当上下两个源达到工作温度后，将样品装载到样品托上，并根据为每个位置设定的沉积时间的计时器，依次将传输臂移至预热氯化铜和退火位置。本方案中的铜工艺参数已针对1.5微米器件进行优化。当最后一个计时器结束时，手动将传输臂返回至初始位置，并关闭负荷锁闸阀。

对于碲薄膜的蒸发沉积，将样品膜面朝下装载到样品支架上，并关闭腔室顶部。手动将手柄移至粗抽位置。当压力降至10毫托以下时，将手柄转回前级管路位置，并等待约30秒，使可能出现的瞬时压力波动稳定后，再打开高真空阀门。

当腔室压力读数稳定后，即已达到 1×10⁻⁵ 托的合适沉积压力。打开电源开关，打开快门，并调高电流控制以开始沉积。当石英晶体监控显示器显示所需的碲膜厚度时，迅速同时将电流调至零，关闭电源开关并关闭快门。

在涂覆背电极之前，摇动背电极溶液以确保充分混合。以缓慢的横向移动方式将溶液喷涂在样品表面，从而在样品上形成均匀的镍背电极。待背电极略微干燥后，根据需要重复涂覆多次，直至完全覆盖。

为了将薄膜结构制备成可电学接触的器件，将装载有样品的金属掩模放入手套箱中，使用虹吸管将玻璃微珠介质涂覆在样品的非掩模区域。更换第二个掩模重复涂覆操作，使得在完成图形界定后，样品上形成一个5×5排列的25个小型方形器件。然后，用蘸有去离子水的棉签清洁样品的薄膜面。

为了在对制备完成的器件进行电学测量时尽量减小横向电阻，使用铟基焊料在器件之间焊接出网格图案。在薄层碲化镉吸收层中添加硒化镉碲，可通过改善吸收层材料质量来提高器件效率，这一点已由更高的光致发光强度和更长的时间分辨光致发光衰减寿命所证实。此外，更高的短路电流密度也有助于实现更高的效率。

光电流密度-电压曲线沿电流密度轴向下移动，表明与性能最优的单层碲化镉吸光器件相比，性能最优的双层吸光器件的短路电流密度有所增加。对碲化镉器件以及碲化镉硒/碲化镉器件的量子效率测量结果显示，双层器件在长波长范围具有额外的光子转换能力，进一步证实了该器件短路电流密度的提升。通过比较不同器件的电流密度-电压特性结果，表明优化碲化镉硒与碲化镉的厚度比例具有重要意义。

0.5至1.0微米比例和1.25至0.25微米比例的数据表明，后一种非优化器件出现了明显的拐点，并导致光伏效率下降。最重要的是，硒化镉碲化镉与碲化镉之间的厚度比例对器件性能至关重要，应针对每一种双层吸收层厚度进行优化。在此工艺基础上，可在双层结构之上再沉积一层附加材料，用作电子反射层。

引入这一层可以最大限度地减少碲化镉基器件中的电压亏损问题。在双层太阳能电池中引入碲硒化镉合金，不仅对太阳能电池有益，还有助于将该合金的特性拓展到其他光伏应用领域。镉化合物可能具有危害性。

使用此类化合物并冲洗薄膜残留物时，必须佩戴手套和实验服，并采用适当的程序处理危险废物。