非平面碲硒鎘薄膜太陽電池組件制備研究

李青霄，張心會，李安琪，林彬娜，陳學義

(1.河南城建學院材料與化工學院，河南平頂山 467036；2.河南城建學院能源與建筑環境工程學院，河南平頂山 467036)

隨著可再生能源技術的不斷發展，能夠被集成在各種實體上的可再生能源尤其是太陽能的需求與日俱增。在眾多太陽能利用技術中，太陽電池技術得到廣泛應用。人們越來越希望太陽電池能夠集成到如交通工具、建筑和景觀等應用場景中，這些應用場景又必須兼顧其功能和美學需求。非平面太陽電池組件由于恰好能夠兼顧上述應用場景的功能性與美學需求，受到科研人員的關注，成為一個研究熱點。

在人們的印象中，太陽電池組件通常是平面結構，受材料性質、制備和封裝工藝制約，如硅片易脆、柔性太陽電池及組件亦絕非可任意撓曲，大面積非平面太陽電池組件研制仍面臨諸多挑戰。

近年來，為制備出非平面光伏電池組件，國際上進行了曲面太陽電池組件研制?？紤]到晶硅太陽電池光電轉換效率高，性能穩定，技術成熟，因此，首選晶硅電池進行曲面太陽電池組件的研制。Budiman等[1]設計出專用的鋁型材模具和層壓機，利用薄晶硅電池片具有有限的可撓性特征，研制了曲面晶硅電池組件。日本產業技術綜合研究所(AIST)采用晶硅太陽電池小組件在彎曲支架上以拼接貼合的方式研制能夠應用在汽車頂棚上的曲面太陽電池組件[2]。另外，當前鈣鈦礦薄膜太陽電池技術進展迅速，各功能層易于沉積在非平面襯底上，合肥工業大學[3]、天津理工大學[4]和謝爾菲德大學[5]分別在非平面襯底上沉積制備鈣鈦礦太陽電池組件。此外，有機太陽電池技術的快速發展也為非平面太陽電池研制提供了一種解決方案。華中科技大學[6-7]采用轉印技術制備出光電轉換效率為10.8%的有機太陽電池，通過與基底剝離再與其他非平面實體貼合，研制成曲面太陽電池。

上述曲面太陽電池及組件研究和制備技術均取得了較大的進展。已經成功商業化的頂襯碲硒鎘薄膜太陽電池以玻璃為基底，結構簡單，光電轉換效率高，穩定性好，集透光、隔熱和美觀于一體，適用于各類應用場景，具有制備非平面太陽電池的天然優勢，然而其非平面電池組件制備研究報道卻甚少。本文基于頂襯碲硒鎘薄膜太陽電池結構特點，結合玻璃基底形變溫度，考慮制作成本，采用頂襯碲硒鎘太陽電池小面板，使用熱彎技術對其進行非平面電池組件制備研究。

1 實驗

1.1 玻璃熱彎

為獲得非平面頂襯碲硒鎘薄膜太陽電池熱彎程度與溫度對應值，先取玻璃基底進行熱彎標定，玻璃基底尺寸為7 cm×7 cm。使用管式爐對所選玻璃基底進行熱彎，熱彎在常壓下進行，爐管內充氬氣保護，爐內恒溫區域設定溫度分別為635、645、655 和665 ℃。圖1 給出了經重復實驗驗證的玻璃熱彎工藝流程。熱彎之前，將玻璃基底樣品放置在有凹面的模具內，然后將玻璃基底與模具從爐口緩慢推至靠近爐內溫度300 ℃的區域預熱，預熱時間30 min；熱彎時，把玻璃基底與模具快速推至爐內恒溫區域，待玻璃基底實測溫度為400 ℃時開始計時，第5 min時記錄玻璃實測溫度，玻璃在高溫下因自重熱彎；第7 min 時熱彎結束，將玻璃基底與模具快速拉至爐內溫度300 ℃的區域降溫；最后，將玻璃基底拉至爐口自然降溫至200 ℃取出，放置在水平臺面上降至室溫。其中，計時7 min 是基于實驗驗證頂襯碲硒鎘薄膜太陽電池熱彎后性能不會大幅衰減同時又實現了熱彎目的的經驗數據。熱彎后的玻璃基底放置在水平臺面上，測量玻璃曲面最高點距水平臺面距離，以標記彎曲程度。

圖1 玻璃熱彎工藝過程示意圖

圖2 為玻璃熱彎程度標定示意圖。經過重復驗證，玻璃彎曲程度與玻璃實測溫度的對應值如表1 所示。

表1 爐溫、玻璃溫度與玻璃熱彎程度對應值

圖2 標定玻璃彎曲程度示意圖

1.2 曲面小組件制備、表征和熱彎

頂襯碲硒鎘薄膜太陽電池采用文獻[8]報道的制備工藝，期間，經激光劃線制備成小組件。使用太陽能模擬器（Newport Oriel，94043A-S 型）測試小組件的I-V 特性。然后篩選I-V 特性值相同的小組件樣品若干，使用1.1 節中的工藝在管式爐內分別對所選小組件樣品進行熱彎，熱彎時玻璃基底面朝向模具凹面。

2 結果與討論

圖3 給出了所選小組件I-V 特性參數隨熱彎溫度變化趨勢。圖4 給出了玻璃和電池小面板熱彎實物圖，其中圖4(a)是熱彎后的玻璃，圖4(b)是熱彎后電池小面板薄膜電池面。圖5 給出了更高溫度熱彎后功能膜層損傷狀況。圖6 給出了經610 ℃熱彎前后小組件I-V 曲線對比。

圖3 小組件I-V特性參數隨熱彎溫度變化趨勢

圖4 熱彎的玻璃和碲硒鎘電池小面板

圖5 高溫后功能膜層出現針孔

圖6 小組件610 ℃熱彎前后I-V曲線對比

從圖3 中可以看出，隨熱彎溫度升高，頂襯碲硒鎘薄膜電池小組件VOC和FF的值呈現先增大后大幅下降趨勢。其中，熱彎溫度為610 ℃時，VOC和FF的值比熱彎前略有增大，JSC卻有一定程度的降低。造成這一現象的原因或許與以下因素有關：

(1)吸收層再結晶，熱彎過程實質上是小電池組件退火處理的過程，退火處理是改善光伏器件性能的常用措施，適當溫度的退火處理可使薄膜太陽電池吸收層再結晶，再結晶有助于消除晶界缺陷，減少復合，空穴濃度增加，從而使VOC增大[9]；

(2)Cl 和Se 元素影響，熱彎過程中，更多Cl 元素補償吸收層中Te 空位，使n型施主的濃度大幅降低，同時降低了受主離化能，提高了空穴濃度[9-10]，Se 元素又具有鈍化點缺陷作用[11-12]，也相應提高了空穴濃度，另外，Cl 元素有助于少子壽命增加，從而提高了FF[10]；

(3)高溫對功能膜層的影響，熱彎過程中更高溫度處理后，碲硒鎘電池小面板出現了大量針孔，如圖5 所示，表明盡管有氬氣保護，常壓下高溫對功能膜層還是存在一定的損傷，另外，爐管內少量氧氣的存在對含碳背電極緩沖層和金屬背電極也有一定氧化作用，這二者亦是更高溫度致使非平面電池小組件性能衰減的因素；

(4)碲硒鎘與硫化鎘互擴散影響，熱彎過程中尤其是高溫時碲硒鎘會與硫化鎘發生反應，生成Cd-TexS1－x合金層，由于硫化鎘擴散進入碲硒鎘吸收層所需要的能量較低，因此，反應過程主要是以硫化鎘擴散進入碲硒鎘為主，高溫時硫化鎘快速擴散會造成其在空間上分布不均勻，甚至局部區域的硫化鎘被完全消耗掉，使碲硒鎘吸收層與前電極直接接觸，造成微觀漏電通道，引起VOC和FF下降，器件性能衰減[10]。

3 結論

本文利用頂襯碲硒鎘薄膜太陽電池結構特點，采用玻璃熱彎技術，在大氣環境中使用管式爐對頂襯碲硒鎘薄膜太陽電池小面板直接進行熱彎，制備了非平面頂襯碲硒鎘薄膜太陽電池小組件，使用I-V測試儀對其I-V 特性進行了研究。結果表明，所制備非平面電池小組件在610 ℃熱彎時，其VOC、JSC、FF和效率與未熱彎的小面板相比，未見明顯衰減；經630 ℃熱彎后，所制備非平面電池小組件仍能保持不低于9%的光電轉化效率。該研究證明，當應用場景需要非平面光伏電池時，可以直接通過熱彎頂襯碲硒鎘薄膜太陽電池面板獲得，這為非平面頂襯碲硒鎘薄膜太陽電池組件產業化生產提供了一種制備方法。