牟艳男，高孝成，陈利强,2，皮艳梅，杨玉蓉

(1.黑河学院 理学院，黑龙江 黑河 164300；2.黑龙江大学 化学化工与材料学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

近年来，日益严重的能源危机使得太阳能电池受到人们的广泛关注。碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)和硫化铅(PbS)等半导体材料能有效地将太阳能转换成电能[1-2]，适宜做光伏电池的吸收层。其中CdTe的禁带宽度约为1.45 eV, 厚度为1 μm的CdTe就可以吸收95%以上的可见光[3]。但在制备CdTe太阳能电池时发现CdTe与金属电极间会形成肖特基结，此高电阻的势垒的存在阻碍了光生电荷的输运，影响到太阳能电池的光电转换效率。为了降低或者消除这一势垒，在金属电极与CdTe之间引入背电极材料即欧姆接触层受到人们的关注。First Solar公司采用电沉积方法在CdTe层上获得了NiTe2薄膜[4]。NiTe2薄膜有效地提高了太阳能电池的光电转化效率，另外，太阳能电池的稳定性也得到了改善[5]，此外，镍碲化合物(NiTex)作为背接触层还可以有效地阻止作为电极的金属材料向CdTe中进行扩散，避免CdTe因与金属发生反应而成为富镉(Cd)的N型材料。化学组成、焙烧温度和反应时间对功能材料的性能影响很大[6-7]。本文采用热蒸发法将碲(Te)粉蒸镀到Ni片上，在较高的温度下获得NiTe和NiTe2薄膜, 对其导电性进行了测试，并将其作为背接触层材料应用到CdTe太阳能电池中。

1 实验部分

1.1 NiTex薄膜的制备

制备NiTex薄膜的具体设备见图1。首先将管式炉中的气体抽出，再充入氮气(N2)作为保护气, 将纯度为 99.999 %的Te粉放置在尺寸为6 cm×3 cm×1 cm的瓷舟中，然后将预先洗净的干燥的Ni片放置在Te粉的正上方。加热从室温开始，升温速率约为15 ℃/min，当温度升到550 ℃时开始计时，在550 ℃下分别维持0 min，30 min和60 min之后关闭管式炉，反应结束后自然冷却至室温后取出样品，用N2吹掉表面附着的颗粒后快速置于冰水混合物中，迅速将薄膜从Ni片上剥离，再用N2吹干，备用。将上述3个样品分别命名为S1，S2和S3。

图1 NiTex薄膜的制备装置Fig.1 Schematic of apparatus of NiTex films

1.2 CdTe薄膜的制备

为了进行光电性质测试，采用丝网印刷的方法在NiTex薄膜上制备CdTe薄膜。以99.999%纯度的市售CdTe粉末作为原材料获得浆料，将2 g CdTe粉末与含0.02 g的氯化镉(CdCl2)以及适量的丙二醇完全混合。CdCl2为助熔剂，丙二醇为粘合剂。选择合适的力度和角度分别在样品S1、S2和S3上进行丝网印刷，将丝网印刷好的薄膜放置在干燥箱中，在190°C下干燥2 h，取出后在450 ℃下热处理1 h，备用。

1.3 测试仪器及参数

采用日本理学电机公司生产的X射线衍射仪(JSM-6700F)对样品进行XRD测定，Cu靶Ka线入射波长为λ= 0.154 06 nm, 2θ扫描范围为25°～80°, 扫描速度为10°/min；采用Keithley 2400测试样品的电学性质。采用三电极体系来研究所制备的NiTex/CdTe复合薄膜的光电转换性质。测试装置为电化学工作站。对电极是Pt网，选用Ag/AgCl电极作为参比电极，将所制备的NiTex/CdTe样品作为工作电极。以氙灯来模拟太阳光(Pin=100 mW/cm2)。将0.35 mol/L的Na2SO3和0.25 mol/L的 Na2S的水溶液装入电解池中作为电解液。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

对NiTex进行了XRD表征，其结果见图2。保温时间为0 min 所制备的样品S1的XRD图谱见图2(a)，图2(a)中2θ为30.90°, 33.45°，43.04°, 46.25°, 56.30°， 58.29°，64.76°，70.19°，76.08°和 77.14°的衍射峰的峰位及相对强度与标准的卡片(JCPDS 65-9466)一致，并且未出现其他杂峰，说明该条件下生成了NiTe薄膜。保温时间为30 min所获得的样品S2的XRD图谱见图2(b)，由图2(b)可见，除了NiTe(*标注)的衍射峰外，在2θ为27.35°, 32.14°, 34.84°, 44.18°, 47.15°, 51.93°, 57.20°, 58.29°, 66.12°，71.86°，78.22°的位置出现了新的衍射峰，衍射峰的峰位及相对强度与标准的卡片(JCPDS 88-2278)一致，即出现了NiTe2的衍射峰，该条件下获得了NiTe相和NiTe2相两相共存的混合薄膜，这说明随着反应时间的延长NiTe在向 Ni2Te转变。保温时间为60 min所获得的样品S3的XRD图谱见图2(c)，由图2(c)可见，当继续延长保温时间达到60 min时，NiTe的衍射峰完全消失，并且不存在其它杂峰，仅有NiTe2相。这说明随着保温时间的延长，NiTe完全转变为NiTe2相。综上所述，随着保温时间的延长，NiTex薄膜的相变规律为Te→NiTe→NiTe+NiTe2→ NiTe2。

图2 NiTex薄膜XRD图谱 Fig.2 XRD figure of NiTex films

2.2 电学性质分析

为了测试上述3个样品的电导率，首先用高电导率的导电银浆将铜丝与样品上下表面连接起来，两连接点间的直线距离为1 cm，随后将导线与Keithley 2400接通。3个样品的测试结果均为过原点的直线，这说明采用上述实验方法获得的样品电压与电流呈线性关系(图3)。根据直线的斜率算出3个样品的电导率(σ)(表1)。由表1可见，随着反应时间的延长，电导率呈现先增大后减小的规律。样品S1、S3的电导率分别为0.11、0.7 S/cm, 样品S2的电导率最大。这说明反应时间改变了化学组成的同时也对电导率造成了很大的影响，两相共存有利于提高样品的电导率。

图3 NiTex薄膜I-V特性曲线Fig.3 I-V characteristic curve of NiTex films

表1 不同反应时间下的NiTex薄膜的电导率Table 1 Conductivity of NiTex films with different reaction times

2.3 光电性质分析

在S1、S2和S3上采用丝网印刷法制备CdTe后的复合薄膜S1/CdTe(a)、S2/CdTe(b)和S3/CdTe(c)的J-V特性曲线见图4。由图4可见，随着反应时间的延长,短路电流密度Jsc呈现先增大后减小的趋势，即样品S2/CdTe的短路电流密度最高，开路电压Voc同样呈现先增大后减小的趋势。

图4 J-V特性曲线Fig.4 J-V characteristic curve

由图4可见，以样品S2/CdTe作为工作电极测得的电池的开路电压(Voc)为0.59 V，短路电流密度(Jsc)为4.87 mA/cm2。以样品S1/CdTe和S2/CdTe作为工作电极测得的电池的短路电流分别为1.35 mA/cm2和2.33 mA/cm2。电池S2/CdTe的光电性能的提高是因为当反应时间为30 min时，样品S2是由NiTe和NiTe2两种物质组成，其导电性优于S1和S3。 此外，在背电极材料NiTe2在NiTe与CdTe之间形成了过渡层，有利于光生载流子的传输，而且从XRD图也可见样品S2良好的结晶性有利于光生载流子的分离和传输，从而使Jsc大幅度增加。

3 结 论

采用热蒸发的方法获得了NiTex薄膜,并在其表面丝网印刷了CdTe薄膜，研究了NiTex作为背接触层对CdTe太阳能电池性能的影响。研究表明反应时间导致NiTe→NiTe+NiTe2→ NiTe2相转变的发生; 反应时间为30 min时获得的样品的Jsc最高(4.87 mA/cm2)，分别是电池S1/CdTe和 S3/CdTe的Jsc的3.6倍和2.1倍。引入背电极材料NiTe+NiTe2有望进一步提高太阳能电池的光电转换效率。