光敏陶瓷之五

1.Cu2S-CdS陶瓷太阳能电池

Cu2S-CdS陶瓷太阳能电池常用烧结-电化学法造。首先将高纯CdS研细,放入石英舟,在氮气中(含氧量<200×10-6)750~780℃预处理3h,注意粉末必须保持金黄色,不能发黑,预处理后在玛瑙研钵中研细,加适量聚乙烯醇水溶液作为粘合剂,干压成型,然后烧结。烧结必须在氮气流中进行,其氧含量应小于1000X10-6,烧结温度为800℃,保温5~7h,冷却至室温后再去氮气。

 Cu2S-CdS陶瓷工艺流程图:

原材料处理——压片——烧成——加负电极——电化学处理——加正电极——装配

Cu2S-CdS太阳能电池,虽然不如硅太阳能电池,但它的成本低,而辐射能力比硅太阳能电池强。因此在空间技术中已有应用。它的主要缺点是有Cu离子迁移,使Cu离子扩散到CdS中,造成太阳能电池性能不稳定。

Cu2S-CdS太阳能电池的另一个缺点是光电转换效率不高,其原因之一是:虽然Cu2S和CdS同属于纤锌矿型,但Cu2S的c轴长为56nm,而CdS的c轴长为58. 5nm,由于晶格参数的差异,使异质结面存在大量位错,导致复合率高,以致转换效率无法提高。近来有人在CdS中固溶一定量的Zn,当组分为Cd0.57Zn0.43S时,可使其晶格参数与Cu2S完全一致,这对提高转换效率有显著效果。

2.薄膜Cu2S-CdS太阳能电池

薄膜太阳能电池可以镀在有机薄膜上,其面积大、体积小、自重轻是太阳能电池的主要形式。

蒸发镀膜可用真空镀膜机,也可用电炉。蒸发前要做准备工作,首先要利用陶瓷技术制造CdS烧结体,它的比电阻要控制在0. 5~1. 0Ω·cm,方能适合太阳能电池的要求。另一个准备工作是把基板镀上导电膜,可以是锌也可以是透明导电SnO2薄膜。

蒸镀膜时烧结体CdS放入坩埚中,基板用夹具夹好,放入电炉。蒸发源CdS要保持800~1100℃,低于800℃CdS蒸发慢,析出速度小。高于1100℃CdS析出速度过快,膜的厚度难以控制。基板温度应控制在250~500℃之间。基板温度在250℃以下,膜是非晶质的,主要成分是Cd。高于500℃造成膜的再蒸发,而得不到CdS膜。蒸发时的气氛对于成膜速度也有影响,在氮气或惰性气体的气氛中,成膜速度小,5μm/h以下,膜的电阻高,结晶性不好。在氢或含氢的气氛中,成膜速度快,为0.3~0.5μm/min,结晶性良好,无针孔。

已经形成的CdS膜,放入CuSO4的温水溶液中浸泡,或在含铜离子的水溶液中把它当阴极,铜板做阳极,二者之间通以微弱的电流,在CdS表面形成p型Cu2-xS层,并在Cu2-xS表面形成格子状电极,它作阳极,导电性极板作阴极,就成了太阳能电池。基板不透明时,太阳光从阳极Cu2-xS处进入,这种太阳能电池称为前壁式太阳能电池。基板透明时,太阳光可从CdS层进入,这种太阳能电池称后壁式太阳能电池。

3.CdTe-CdS太阳能电池

CdTe-CdS太阳能电池是一种厚膜型烧结膜电池,它的制造过程如下:首先把CdS制成浆料,用丝网印刷法印刷到玻璃基板上,干燥后,在氮气气氛中650℃烧成,这样可以得到一宽禁宽(2. 4eV)的半导体CdS层,凡能量小于2. 4eV的光子都可以透过CdS膜,所以利用它作光学窗口,使转换效率提高,这在光电池中有非常重要的意义。

在CdS层上掺Zn的CdTe用作n型衬底,其禁带宽度Eg=1. 44eV,作为光子吸收层用。接着用浸泡法在CdTe上形成p型CuTe,最后形成p-n结。在Cu2Te层上涂敷银电极,并在CdS窗口的露出部分涂敷上In-Ga电极,焊上引线,装配成太阳能电池。

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