12%到18%：超薄碲化镉CdTe太阳能电池结构优化驱动 BIPV 高效升级

 

碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池因其高效率、良好的弱光性能和高温稳定性，非常适合用于建筑一体化光伏（BIPV）。为了进一步降低生产成本、缓解碲（Te）资源的稀缺性，并扩大其在BIPV中的应用，超薄CdTe光伏技术得到了发展。

超薄 CdTe 太阳能电池的发展背景

 

全球碲（Te）及其他相关元素的年产量和储量

 

碲（Te）的储量与产量：全球碲储量约为 47,000 吨，年产量相对较低。与镓（Ga）、铟（In）、镉（Cd）等元素相比，碲的储量和年产量均处于较低水平。

 

 

优势：CdTe 薄膜太阳能电池具有高效、稳定、弱光性能好等优点，适合大规模生产。

 

 

挑战：碲（Te）资源稀缺，生产成本高，且镉（Cd）的环境影响受关注。

 

 

解决方案：开发超薄 CdTe 技术（吸收层厚度 < 1μm），减少材料消耗，降低成本，同时保持高效率。

超薄碲化镉太阳能电池的结构

 

电池结构图和载流子生成率计算图

 

典型的CdTe太阳能电池的结构：

玻璃基底

FTO（透明导电氧化物）

CdS 窗口层（n 型，厚度约 5μm）

CdTe 吸收层（p 型，厚度约 0.2μm）

背接触层，该结构为超薄设计，CdTe 吸收层厚度仅为0.2μm，远低于传统2-8μm的厚度。

载流子生成率分布：

 

 

主结附近（0-1μm）：载流子生成率极高（峰值达 10²⁵cm⁻³・s⁻¹），表明大部分光子在此区域被吸收并产生载流子。

 

 

超过 1μm 后：载流子生成率骤降两个数量级（降至 10²³cm⁻³・s⁻¹以下），说明光吸收效率显著降低。

典型和超薄 CdTe 太阳能电池的结构对比

 

典型CdTe电池和超薄CdTe电池的结构示意图

 

典型 CdTe 电池结构

 

 

结构：玻璃基底 → TCO（如 FTO）→ 窗口层（如 CdS，厚度约 5μm）→ CdTe 吸收层（2-8μm）→ 背接触 → 背电极（如 Au/Ni）。

 

 

特点：传统厚膜设计，吸收层较厚，完全吸收入射光子。

 

 

超薄 CdTe 电池结构

 

 

结构：玻璃基底 → TCO → 窗口层（如 CdS）→ 超薄 CdTe 吸收层（<1μm）→ 背接触 → 背电极。

 

 

特点：吸收层厚度显著减小，部分光子穿透，需通过优化其他层（如窗口层、背反射层）补偿光吸收损失。

超薄CdTe器件的当前与未来结构对比

 

超薄CdTe器件的当前与未来结构对比

 

通过结构对比，展示了超薄 CdTe 电池从当前技术向未来高性能设计的演进路径。其核心在于通过材料创新（MZO、CdSeTe、As 掺杂）和结构优化（梯度带隙、Cu-free 背接触）突破效率瓶颈，为实现 18% 以上效率提供了可行方案。

吸收层厚度与转换效率的关系

 

电池效率与吸收层厚度的关系及其量子效率（QE）特性

 

效率与吸收层厚度的关系：当厚度<0.5μm时，效率显著下降；0.5-1.0μm时效率相对稳定；>1.0μm时效率趋于饱和。

 

 

不同厚度的量子效率（QE）：在600-830nm范围内，较薄电池的QE 斜率增加，表明缺陷导致的载流子复合增强。

不同厚度CdTe电池的稳定性测试

 

不同厚度CdTe电池的稳定性测试

 

四种不同厚度（0.7 μm、1.0 μm、1.5 μm和2.1 μm）的CdTe太阳能电池在85°C光照条件下的性能参数随时间的变化。

 

 

经过1000小时的光照测试，四种不同厚度的CdTe电池的主要性能参数（Voc、Jsc、FF和效率）均未出现显著退化。这表明减少CdTe吸收层厚度对电池的稳定性影响较小，超薄CdTe电池在长期使用中具有良好的稳定性。

不同超薄CdTe器件结构的示意图

 

不同超薄CdTe器件结构的示意图

无 Cu 背接触：解决 Cu 扩散导致的界面复合和稳定性问题。MoO₃的高电阻导致串联电阻（Rs）增加，FF 下降。

 

 

宽禁带窗口层：ZnCdS 的带隙（2.5-2.8 eV）大于 CdS（2.4 eV），减少对短波光子的吸收，提升 Jsc。ZnCdS 与 CdTe 的晶格失配可能引入缺陷，需优化制备工艺。

 

 

梯度带隙吸收层：CdSeTe 的低带隙（1.38 eV）增强长波（>850 nm）吸收，拓宽光谱响应。带隙降低导致 Voc 下降，需平衡 Jsc 和 Voc 的增益。

 

 

通过三种创新结构展示了超薄 CdTe 电池的优化路径：无Cu背接触解决稳定性问题，宽禁带窗口层提升短波响应，梯度带隙层增强长波吸收。

 

 

超薄碲化镉（CdTe）异质结薄膜太阳能电池是解决传统光伏技术资源稀缺和成本问题的重要创新方向。通过将吸收层厚度降至1μm以下，该技术可减少50%-80%的碲消耗，同时利用CdTe 的高吸收系数维持高效光吸收。

 

 

通过材料创新（如 MZO 窗口层、CdSeTe 梯度带隙吸收层）和结构优化（无 Cu 背接触、As 掺杂），实验室效率已突破12%，并展现出在建筑一体化光伏（BIPV）和叠层电池中的应用潜力。未来需进一步优化制备工艺，平衡效率与稳定性，推动其商业化进程。

美能QE量子效率测试仪

 

 

美能QE量子效率测试仪可以用来测量太阳能电池的光谱响应，并通过其量子效率来诊断太阳能电池存在的光谱响应偏低区域问题。它具有普遍的兼容性、广阔的光谱测量范围、测试的准确性和可追溯性等优势。

 

 

兼容所有太阳能电池类型，满足多种测试需求

 

 

光谱范围可达300-2500nm，并提供特殊化定制

 

 

• 氙灯+卤素灯双光源结构，保证光源稳定性

 

通过测试不同厚度吸收层的量子效率，美能QE量子效率测试仪可精准定位光吸收不足区域（如长波响应衰减），指导梯度带隙 CdSeTe 层的设计。此外，美能QE量子效率测试仪还能通过分析量子效率曲线的斜率变化，量化超薄层晶界缺陷对载流子复合的影响。该设备的应用显著加速了超薄 CdTe 电池的材料创新与结构优化，助力突破效率瓶颈，推动其在 BIPV 和叠层电池中的实际应用。

 

 

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

 

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