宽光谱响应的高效CdTe薄膜太阳电池

刘 娇，鲍飞雄，傅干华，沈 凯*，麦耀华

(1.暨南大学信息科学技术学院，新能源技术研究院，广州 511443；2.成都中建材光电材料有限公司，成都 610064)

0 引言

碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池作为最成功的产业化薄膜太阳电池技术，以较高的光电转换效率、电池性能的长期稳定性、显著的成本优势等特点成为极具研究价值与市场潜力的太阳电池技术[1]。近年来，CdTe薄膜太阳电池实现了新一轮技术革新，小面积CdTe薄膜太阳电池的最高光电转换效率从16.5%快速提升至22.1%[2]，被称为CdTe薄膜太阳电池制备的第4次技术飞跃，引起了科研界和产业界的广泛关注。本文围绕新一轮技术飞跃中CdTe薄膜太阳电池的宽光谱响应和电池性能提升，对该类高效电池的结构及制备技术进行了梳理论述，并对其的发展做出了展望。

1 宽光谱响应的高效CdTe薄膜太阳电池的结构及制备技术

新一轮技术飞跃分别从短波波段和长波波段改善了CdTe薄膜太阳电池的光谱响应特性，使其具有更宽的光谱响应范围，并同步实现了电池性能的快速提升。

新一轮技术飞跃中主要的技术进展包括：一方面，CdTe薄膜太阳电池结构中前电极缓冲层大幅减少了300～550 nm短波波段的光吸收损失，使该太阳电池的短路电流密度JSC从27 mA/cm2增至28 mA/cm2以上。针对前电极缓冲层的技术改进主要有以下2种方案：1)以宽带隙的半导体，比如氧锌镁(MgZnO，简称“MZO”)、掺氧硫化镉(CdS:O)、硒化镉(CdSe)等直接替代硫化镉(CdS)缓冲层；2)采用新结构的复合前电极缓冲层，这种复合前电极缓冲层可包含保护层或自牺牲层，比如CdS/CdSe、MZO/CdS/CdSe、MZO/CdSe结构，可以有效减小CdS缓冲层的厚度。

另一方面，通过引入带隙可调(1.39～1.47 eV)的镉碲硒(CdSeTe)[3]三元固溶体化合物，使吸收层呈现梯度带隙，可以吸收更长波长的太阳光，进一步提升CdTe薄膜太阳电池的JSC；同时，吸收层薄膜质量的改善使该电池的开路电压VOC从过去的约850 mV提升至870 mV以上。基于CdSeTe的梯度吸收层构建一般是通过2种方式实现：1)间接法，先沉积CdSe，后续再通过热扩散方式形成三元合金；2)直接沉积1层三元合金的化合物薄膜，并在后续热扩散过程中形成成分梯度。CdSeTe的制备方法较为多样，可以采用真空热蒸发[4-5]、近空间升华[6-7]、分子束外延[8-9]、热壁沉积[10]、电子束沉积[11]和电沉积[12]等方法制备。

下文将从电池结构出发，对宽光谱响应的高效CdTe薄膜太阳电池的制备技术及研究进展进行介绍。

1.1 MZO/CdTe结构

传统CdTe薄膜太阳电池的典型结构通常以CdS作为n型缓冲层。但CdS的带隙为2.42 eV，作为窗口层时会吸收波长小于510 nm的太阳光，造成电池电流密度J的损失。而MZO作为一种宽带隙(3.60～3.70 eV)半导体，在宽光谱范围内具有较高的光透过性，而且MZO的带隙和载流子浓度可以调节，有利于实现透明导电氧化物/MZO和MZO/CdSeTe界面之间的能带匹配。

图1 MZO薄膜的带隙与衬底温度的关系曲线[13]Fig.1 Relationship between the band gap of the MZO film and the substrate temperature [13]

BITTAU等[13]采用射频磁控溅射法沉积MZO薄膜，并通过在沉积过程中增加衬底温度来调节MZO薄膜的带隙，MZO薄膜的带隙与衬底温度的关系曲线如图1所示。由图1可知，MZO薄膜的带隙随衬底温度的升高而升高；在衬底温度为300 ℃下沉积的MZO薄膜的带隙为3.70 eV，该条件下采用MZO/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池的平均光电转换效率为12.5%，最高光电转换效率为13.3%。采用MZO/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池的性能随MZO薄膜沉积温度的变化情况如图2所示。由图2可知，随着MZO薄膜沉积温度的升高，CdTe薄膜太阳电池的VOC和Eff均呈上升趋势。

图2 采用MZO/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池性能随MZO薄膜沉积温度的变化情况[13]Fig.2 Performance varies of CdTe thin-film solar cells with MZO/CdTe structure with different deposition temperature of MZO thin-film [13]

以MZO薄膜作为缓冲层时对环境湿度和O2的高敏感性使高效太阳电池的制备过程更具挑战性和复杂性，并带来了潜在的稳定性问题。SAMOILENKO等[14]在含氧气氛下直接采用Zn和Mg靶材，通过元素反应共溅射沉积的MZO薄膜具有良好的稳定性，表面功函数在6个月时间内无明显变化，且无论后续工艺是否有O2存在，采用MZO/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池的光电转换效率都保持在约16%。在太阳电池中p-n结界面处的势垒对载流子的传输和复合有重要影响，何旭等[15]使用SCAPS软件对采用MZO/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池进行了仿真模拟研究，发现当MZO薄膜的导带底高出CdTe的导带底约0.13 eV时，该太阳电池的光电转换效率最高，达到了18.29%。MUNSHI等[16]利用磁控溅射法沉积100 nm厚的MZO薄膜，并采用线列式的近空间升华设备沉积CdTe薄膜及进行后续的氯化镉(CdCl2)退火处理，最终获得了17.9%的CdTe薄膜太阳电池光电转换效率。

采用MZO/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池以更宽带隙的MZO代替了CdS，有效减少了短波波段的光吸收损失；而通过改变MZO薄膜的沉积方法也使其对于环境湿度和O2高度敏感性这一问题得到了改善。通过数值仿真发现，MZO缓冲层与CdTe层界面之间的导带偏移量对CdTe薄膜太阳电池的光电转换效率存在重要影响，如何实现理想的界面势垒还需要进一步的实验研究。

1.2 CdS:O/CdTe结构

CdS:O薄膜作为n型缓冲层应用于高效CdTe薄膜太阳电池时主要采用反应溅射的方式沉积，溅射环境中O2的最佳用量高度依赖于特定的沉积系统和工艺。通过调节气氛中O2/Ar的比例(0～10%)可以将CdS:O薄膜的带隙从2.4 eV增至3.8 eV；而当O2含量达到9%时，电池性能会急剧恶化，这一方面可能是因为O2浓度过高形成了硫酸基团；另一方面可能是因为CdS:O薄膜的带隙比CdS的大，在CdS:O/CdTe界面处形成了不适当的导带偏移[17]。

基于上述原因，MEYSING等[18]研究了CdS:O薄膜的一些固有性质(如透过率、带隙等)与O2含量之间的函数关系及其对电池性能的影响。研究发现，当O2/Ar比例为6%时，所获得的电池性能最佳，此时CdS:O薄膜中O原子比例为40%。通过在CdS中掺入氧，使太阳电池的光电转换效率从单纯使用CdS时的10.5%提升到了14%以上，这主要得益于JSC的提升及VOC的适度改善。而当CdS:O薄膜的带隙为2.8 eV时，电池的性能较为理想。不同O2/Ar比例对CdS:O薄膜带隙的影响如图3所示[18]；不同O2/Ar比例下CdS:O薄膜中的O原子比例如图4所示[18]；以100 nm厚的CdS:O薄膜作为缓冲层、溅射气氛中O2含量不同时CdTe薄膜太阳电池的外量子效率(EQE)和J-V曲线如图5所示[18]。

图3 不同O2/Ar比例对CdS:O薄膜带隙的影响[18]Fig.3 Influence of different O2/Ar ratios on band gap of CdS:O film[18]

图4 不同O2/Ar比例下CdS:O薄膜中的O原子比例[18]Fig.4 Oxygen atom ratio in CdS:O films at different O2/Ar ratios [18]

图5 以100 nm厚的CdS:O薄膜作为缓冲层、溅射气氛中O2含量不同时CdTe薄膜太阳电池的EQE和J-V曲线[18]Fig.5 EQE and J-V curves of CdTe thin-film solar cell with 100 nm thick CdS:O film as buffer layer and different O2 content in sputtering atmosphere [18]

CdS:O薄膜作为缓冲层时的厚度对CdTe薄膜太阳电池的性能也有重要影响。通常，CdS:O薄膜越薄，越可以增强电池短波波段的光谱响应，从而达到更高的JSC；但这也会导致VOC和填充因子FF降低。以往的研究表明，将CdS:O薄膜的厚度降至40 nm以下会降低太阳电池的光电转换效率。在最新的研究进展中，HU等[19]提出了一种后退火工艺来制备具有超薄CdS:O缓冲层的高效CdTe薄膜太阳电池，在CdS:O薄膜的厚度仅为30 nm时，制备的CdTe薄膜太阳电池的光电转换效率达到了18%。研究结果表明，CdTe吸收层的高缺陷密度、低内建电势(Vbi)和高背势垒高度(φb)是采用超薄CdS:O缓冲层的CdTe薄膜太阳电池的VOC和FF降低的部分原因。后退火工艺可以提高载流子浓度和Vbi，降低φb，提高VOC和FF，从而可达到较高的光电转换效率。此外，在MZO/CdTe之间添加CdS:O薄膜可以防止MZO薄膜受到环境湿度和O2的影响，并在此工序后允许O2进入电池的制备过程，从而有助于拓宽CdTe薄膜沉积和电池制备时的工艺窗口。

1.3 CdSe/CdTe结构

相比于CdS，CdSe在CdTe中具有更高的溶解度，可使CdSe/CdTe界面具有较强的互扩散，形成高x值的CdSexTe1-x合金。对于以CdSe薄膜作为缓冲层的CdTe薄膜太阳电池来说，CdSe薄膜的厚度与电池性能密切相关。如图6所示，在300～700 nm波段内，随着CdSe薄膜厚度的增加，电池的EQE也随之降低。这是因为过厚的CdSe薄膜会导致扩散不充分，而且Se含量过高会形成非光活性的纤锌矿结构的CdSeTe，使太阳电池的JSC降低[20]。另外，CdSe/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池中使用的透明导电氧化物(TCO)通常是由低阻材料如掺氟氧化锡(FTO)和高阻材料如氧化锡(SnO2)组成的双层材料。SnO2作为高阻材料避免了CdSeTe与FTO直接接触时造成的VOC损失，但是CdSe/CdTe结构存在的界面复合仍高于CdS/CdTe结构[21]。

图6 以不同厚度的CdSe薄膜作为缓冲层时CdTe薄膜太阳电池的EQE曲线[20]Fig.6 EQE curves of CdTe thin-film solar cell with CdSe film as buffer layer at different thickness[20]

PAUDEL等[20]采用磁控溅射法制备了CdSe薄膜，基于CdSe/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池获得了14.7%的光电转换效率，JSC为27.5 mA/cm2。虽然该结构的电池通过移除CdS改善了短波波段的光吸收损失，形成的CdSeTe也可以增加长波波段的量子效率(QE)响应，因此采用CdSe(100 nm)/CdTe(4 µm)结构的CdTe薄膜太阳电池比采用CdS(130 nm)/CdTe(4 µm)结构的CdTe薄膜太阳电池在JSC上有所改善，但CdSe/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池的VOC和FF均有所降低，这主要是由电池前界面存在界面复合和吸收层带隙减小导致的。

ABLEKIM等[22]采用TEC12D(FTO/SnO2)的玻璃衬底，以热蒸发的方式制备CdSe/CdTe结构，在有、无MZO缓冲层时CdTe薄膜太阳电池均实现了19%的光电转换效率，且JSC超过了30 mA/cm2，同时保持着较高的VOC(＞800 mV)和FF。

CdSe薄膜厚度不同时CdTe薄膜太阳电池的J-V曲线及性能参数如图7所示[22]。从图中可看出CdSe作为缓冲层的潜力，其中，CdSe薄膜厚度为150 nm，CdTe薄膜厚度约为4.5 µm，两者在一体化沉积系统的沉积过程中不会破坏真空环境，且两者的沉积温度一致(源温度为680 ℃，衬底温度为400 ℃)。

图7 不同厚度CdSe薄膜时CdTe薄膜太阳电池的J-V曲线及性能参数[22]Fig.7 J-V curves and performance parameters of CdTe thin-film solar cell with different thickness of CdSe films[22]

虽然采用CdSe/CdTe结构的高效CdTe薄膜太阳电池已有报道，但由于在大部分的实验研究中其仍存在较严重的前界面复合，导致电池的光电转换效率受到限制。结合低带隙CdSeTe薄膜的形成机制及其对长波波段光谱响应的提高，包含CdSe(或CdSeTe)薄膜的复合结构缓冲层更易于制备出具有高光电转换效率的CdTe薄膜太阳电池。

1.4 CdS/CdSe/CdTe结构

传统CdS/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池中的CdS薄膜厚度一般为100～120 nm。有研究表明，当CdS薄膜厚度大于80 nm时，其对太阳光谱中波长小于500 nm的光子利用率低于50%；而当CdS薄膜厚度小于30 nm时，其对太阳光的吸收基本可以忽略。因此，为了减少光吸收的损失，可以适当减小CdS薄膜的厚度。但前期有研究表明[23]，过度降低CdS薄膜的厚度容易导致该层出现孔洞，并导致电池的VOC、FF等下降。因此可通过增加保护层或自牺牲层来形成复合缓冲层，从而减小CdS薄膜的厚度，在提高电池短波波段光谱响应的同时减少VOC与FF的损失。

此外，CdS/CdTe界面在后续的CdCl2退火处理中，会由于相互扩散形成高缺陷且非光活性的CdSxTe1-x[24]。为此，提出了CdS/CdSe结构的复合缓冲层，CdSe作为CdS层的保护层，可以避免高温沉积CdTe过程中CdS的过度消耗；且在后续的CdCl2退火处理中，CdSe还可以与CdTe相互扩散形成更低带隙的CdSeTe。因此，无论是在短波波段还是在长波波段，采用CdS/CdSe/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池都对光谱响应起到了提升作用。

PAUDEL等[20]围绕CdTe薄膜太阳电池JSC的提升，对CdS/CdSe复合缓冲层结构进行了对比研究。相对于采用单一CdS(130 nm)薄膜作为缓冲层的CdTe薄膜太阳电池而言，采用CdS(15 nm)/CdSe(100 nm)复合缓冲层的CdTe薄膜太阳电池的JSC提升了3 mA/cm2，达到了27.2 mA/cm2；VOC达到了806 mV，但FF较低，因此光电转换效率较低。相较于采用CdSe/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池，在此结构基础上加入CdS层后有效减少了电池的前界面复合，获得了更高的VOC。之后PAUDEL等[25]研究了采用CdS:O/CdSe/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池，此种结构增强了短波波段和长波波段的QE响应，并改善了电池的VOC。通过优化制备工艺，采用CdS:O/CdSe复合缓冲层的小面积CdTe薄膜太阳电池的光电转换效率达到了15.2%、VOC为831 mV、JSC为26.3 mA/cm2、FF为69.5%。YANG等[24]采用脉冲激光沉积法制备的CdS/CdSe复合缓冲层结构的CdTe薄膜太阳电池，JSC可达到27 mA/cm2以上。

采用不同缓冲层时CdTe薄膜太阳电池的性能参数如表1所示。

表1 采用不同缓冲层的CdTe薄膜太阳电池的性能参数Table1 Performance parameters of CdTe thin-film solar cell with different buffer layers

1.5 MZO/CdS/CdSe/CdTe结构

缓冲层采用CdS/CdSe结构的CdTe薄膜太阳电池存在FF较低的问题，而MZO薄膜的引入可以较好地解决这一问题。MZO薄膜可以更好地实现能带匹配，形成适当的带偏置，这在界面复合控制中至关重要。WANG等[17]通过全溅射法制备了MZO(100 nm)/CdS(20 nm)/ CdSe(40 nm)结构的复合缓冲层，并通过SCAPS软件仿真发现，采用MZO/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池的性能与Vbi密切相关，而通过增加CdS层可提高其Vbi；最终在增加Vbi并减少QE损失的基础上，采用MZO/CdS/CdSe复合缓冲层结构的CdTe薄膜太阳电池成功保持了相对较高的VOC(804 mV)和FF(68.2%)，并达到了14.7%的光电转换效率。

REN等[26]基于MZO/CdS/CdSe/CdTe结构，通过对MZO薄膜进行快速热退火(RTA)，使采用该结构的CdTe薄膜太阳电池的光电转换效率从11.7%提升至15.7%。RTA处理提高了MZO薄膜的结晶度，消除了缺陷，提高了薄膜的导电性，从而有助于抑制体缺陷和界面缺陷引起的复合，降低电池的串联电阻。对MZO薄膜进行直接生长(AS-grown)和进行RTA-600 ℃处理后的采用该结构的CdTe薄膜太阳电池的J-V曲线及QE情况如图8所示。实验中较合适的RTA温度为600 ℃，加热速率保持在10 ℃/s。

SHEN等采用MZO/CdS/CdSe结构的复合缓冲层显著改善了电池的短波响应；同时，通过调控异质结界面组分及界面缺陷提高了电池的VOC和FF，并通过改善背接触制备及热处理工艺，获得了认证的AM1.5G条件下光电转换效率为16.92%的CdTe薄膜太阳电池。

图8 MZO薄膜采用不同工艺时MZO/CdS/CdSe/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池的其性能 [26]Fig.8 Performance of CdTe thin-film solar cell with MZO/CdS/CdSe/CdTe structure when MZO films are processed by different processes[26]

1.6 MZO/CdSeTe/CdTe结构

根据太阳电池光电转换效率的肖克利-奎伊瑟极限(Shockley-Queisser limit)理论，在AM1.5G条件下，获得太阳电池理论上的最大光电转换效率时吸收层的最佳带隙为1.34 eV[27-28]。而CdTe的带隙(1.47 eV)略宽，将CdTe吸收层的带隙移向理论上最佳值的策略，有助于进一步增加光电流，从而提高电池的光电转换效率。CdSeTe材料是较好的选择，可以通过适当调节化学计量比使其带隙降至约1.4 eV[29]。许多通过在吸收层引入CdSeTe来改善JSC从而获得较高光电转换效率的研究被报道，虽然Se的加入可以构建梯度带隙，从而增加电池的JSC，但这并不能成为单独解释电池性能得到改善的原因。

ZHENG等[30]通过数值模拟的方式，研究了CdSeTe不同的带隙分级、载流子寿命、能带匹配和载流子浓度对载流子传输、界面复合和电池性能的影响。研究发现，通过调整CdSeTe的组成和带隙梯度可以提高电池性能，但这些方面得到的电池性能提升相对于Se合金提高载流子寿命从而使电池性能提高而言，贡献很小，这就可以解释创光电转换效率纪录的CdTe薄膜太阳电池在吸收层带隙明显减小的情况下仍能保持较小的VOC损失的原因。FIDUCIA等[31]则以二次离子质谱(SIMS)、阴极发光(CL)等表征手段，结合Se的扩散分布情况，证明了Se具有钝化CdTe内部缺陷的作用。图9为Se合金对CdTe发光效率的影响[31]，由图可知，原本沉积的1.5µm厚的CdSeTe与CdTe之间无明显的边界，但经过CdCl2处理后，呈现出随着距离前端界面越远Se的浓度逐渐下降的趋势；而且Se的浓度不仅在吸收层深度上呈现出分级，还在吸收层的晶粒结构上分布不均匀。通过对比同样区域内CL强度的分布情况可以发现，Se浓度与CL强度这两者存在明显的正相关。由于高发光效率表明在半导体中有低水平的缺陷导致的非辐射复合，这种明显的正相关表明Se钝化了吸收层中的非辐射复合中心，这对于少子寿命得到改善给出了一定解释。

图9 Se合金对CdTe发光效率的影响[31]Fig.9 Effect of Se alloy on luminescence efficiency of CdTe [31]

MUNSHI等[16]以磁控溅射MZO靶材的方式沉积了约100 nm厚的MZO薄膜作为缓冲层，薄膜中Mg的含量为23%，结合吸收层中CdSeTe的引入，使电池的JSC大幅提高的同时，还保证了较高的VOC(854 mV)和FF(79.1%)；与采用MZO/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池相比JSC增益明显，提高了2.1 mA/cm2，光电转换效率从17.9%提升到了19.1%。该高效CdTe薄膜太阳电池的结构示意图如图10所示。此外，综合图11和图12可看出，CdSeTe的引入将EQE响应的光谱范围从850 nm拓宽至900 nm，且载流子寿命明显增加。图中，CdSeTe薄膜厚度为800 nm，采用Se含量为20%的合金源，在沉积前衬底温度被加热到540 ℃，源温度为575 ℃。

图10 光电转换效率达到19.1%的CdTe薄膜太阳电池的结构示意图[16]Fig.10 Structure diagram of CdTe thin-film solar cell with photoelectric conversion efficiency of 19.1% [16]

图11 采用MZO/CdSeTe/CdTe结构与采用MZO/CdTe结构的CdTe薄膜太阳电池的EQE对比[16]Fig.11 EQE comparison between CdTe thin-film solar cells with MZO/CdSeTe/CdTe structure and MZO/CdTe structure[16]

PANDEY等[32]基于MZO/CdSeTe/CdTe的电池结构，通过数值模拟方式对MZO薄膜的参数进行了研究。研究发现，若要有效抑制界面复合，MZO缓冲层的载流子浓度需要大于1017cm-3并且要始终大于吸收层的载流子浓度。HU等[33]通过在利用近空间升华(CSS)法制备CdSeTe薄膜的过程中引入O2，获得了19.2%的CdTe薄膜太阳电池光电转换效率。研究发现，环境中的O2可以增加沉积膜中Se的含量，并以“氧化-升华”两步反应过程解释了氧的作用。

图12 TRPL测试显示的CdSeTe对载流子寿命的提升[16]Fig.12 TRPL measurement showing improved carrier lifetime with CdSeTe[16]

BOTHWELL等[34]采用CSS法在MZO衬底上制备了1.5 μm厚的超薄CdSeTe/CdTe双吸收层，最终CdTe薄膜太阳电池的光电转换效率达到了15.7%。研究发现，为获得高效太阳电池，CdSeTe沉积时的衬底温度应高于CdTe沉积时的衬底温度，为540 ℃时较好；同时对CdSeTe薄膜与CdTe薄膜的厚度比进行优化，发现CdSeTe(0.5 µm)/CdTe(1.0 µm)较为合适。

ALBIN等[35]采用Colossal Grain Growth(CGG)方法制备的CdSeTe多晶薄膜的晶粒尺寸达到了1 mm，为后续太阳电池中大晶粒、长寿命吸收层的制备奠定了基础。

1.7 MZO/CdSe/CdTe结构

COLEGROVE等[36]对Se在CdTe薄膜沉积、热退火及CdCl2热处理过程中的扩散动力学进行了研究，研究发现在CdCl2热处理过程中，Se的扩散速率比在单独的热退火过程中快很多，同时其晶界扩散速率也比体扩散快。这2种效应表明，CdCl2热处理过程中的Se扩散在构建CdTe薄膜太阳电池的梯度吸收层方面占据主导地位。这个发现为后续实现更好的梯度吸收层奠定了一定基础。SHEN等采用全真空方法，基于采用SnO2/MZO/CdSe/CdTe/Cu/Au结构的CdTe薄膜太阳电池，通过针对Se的扩散分布及激活钝化等工艺的优化，制备出高质量的梯度吸收层，获得了18.6%的电池光电转换效率。

PAUDEL等[20]采用低成本、多用途的真空热蒸发系统依次沉积CdSe(150 nm)/CdTe(4.5 µm)双吸收层，获得了结构为MZO/CdSe /CdTe的光电转换效率超过19%的高效CdTe薄膜太阳电池。

HU等[37]通过在溅射CdSe的过程中引入O2，获得了18.6%的CdTe薄膜太阳电池光电转换效率。研究发现，在CdSe中掺入O2的效果类似于CdS:O，生成的CdSeO3可改善电池的VOC与FF。

通过对比发现，First Solar公司创世界纪录的CdTe薄膜太阳电池(性能参数为：VOC=887.2 mV，JSC=31.69 mA/cm2，FF=78.5%，Eff=22.1%)在VOC和JSC方面均超过了几种含CdSe或CdSeTe结构的CdTe薄膜太阳电池，只有MZO/CdSeTe(或MZO/CdSe)结构的CdTe薄膜太阳电池的FF可以超过该创世界纪录的太阳电池。该创世界纪录的太阳电池的确切结构及其具有优异性能的原因尚不明确，但较高的JSC和VOC表明该电池使用了MZO或类似的缓冲层，所以MZO与CdSeTe的联合使用仍然被认为是实现高效CdTe薄膜太阳电池的关键。有研究表明，在CdTe前面直接沉积CdSeTe而不是CdSe的优点是形成非光活性CdSeTe的可能性变得更低[7]，如此可以引入更多的Se到电池中，从而可更好地微调带隙梯度。

2 展望

CdTe作为带隙为1.47 eV的半导体材料，具有较高的光吸收系数，非常适合制作高效率的光伏器件。CdTe薄膜太阳电池的理论光电转换效率可以达到30%左右，经过几十年的技术发展，目前小面积CdTe薄膜太阳电池的最高光电转换效率已达到了22.1%，大面积组件的工艺也逐渐成熟。

对于目前的高效CdTe薄膜太阳电池而言，其JSC已接近理论极限值[38]，而VOC还有提升空间，虽然已有VOC超过1 V[39-40]的研究报道，但电池性能的全面提升仍极具挑战。目前，CdTe薄膜太阳电池的主要研究方向涉及MZO缓冲层、含Se吸收层、吸收层掺杂改性和背接触等方面，这具体关系到能带匹配、载流子输运、少子寿命、缺陷钝化、界面势垒等机制。

关于进一步提升CdTe薄膜太阳电池光电转换效率，如何实现MZO缓冲层载流子浓度的增加及合适的界面势垒是值得思考的问题；此外，根据向CdSe中引入O2的情况可以看出，O2对于CdTe薄膜太阳电池性能的影响也值得探究；对于吸收层掺杂改性的问题，通过V族元素的掺杂提高载流子浓度是突破低掺杂技术瓶颈的可行方向；选择合适的背接触形成良好的欧姆接触，对CdTe薄膜太阳电池性能的影响也至关重要，将镍镁氧(NiMgO)这一新材料作为背接触层的相关研究也已取得了一定进展。随着CdTe薄膜太阳电池进一步的提效降本和光伏建筑一体化等新兴领域的发展，CdTe薄膜太阳电池在未来将会有更多样化的应用需求，极具市场潜力。

3 结论

本文从太阳电池的结构出发，分析了宽光谱响应的高效CdTe薄膜太阳电池的制备技术及研究进展，并对其发展进行了展望。作为最成功的产业化薄膜电池技术，CdTe薄膜太阳电池随着新一轮的技术革新，小面积CdTe薄膜太阳电池的最高光电转换效率已从16.5%快速提升至22.1%。CdTe薄膜太阳电池进一步的提效降本和光伏建筑一体化等新兴领域的发展，有助于CdTe薄膜太阳电池在未来满足更多样化的应用需求，极具市场潜力。