多晶薄膜与薄膜太阳电池
引言
近几年来，光伏市场发展极其迅速，1997 年光伏组件的销售量达 122Vw，比上年增
加
38％。世界主要几大公司宣称，近期光伏组件产量将会增加到 263.5MW，其中薄膜太
阳电池将达到
91.5MW，占太阳电池总量的 34.7％。快速发展的光伏市场导致许多太阳电
池生产厂家力求扩大生产能力，开辟大容量的太阳电池生产线。但目前太阳电池用硅材料大
部分来源于半导体硅材料的等外品和单晶硅的头尾料，不能满足光伏工业发展的需要。同时
硅材料正是构成晶体硅太阳电池组件成本中很难降低的部分，因此为了适应太阳电池高效
率、低成本、大规模生产化发展的要求，最有效的办法是不采用由硅原料、硅锭、硅片到太阳
电池的工艺路线，而采用直接由原材料到太阳电他的工艺路线，即发展薄膜太阳电他的技
术。
20 世纪 70 年代开始，发展了许多制作薄膜太阳电他的新材料、CulnSe
2
、
CdTe 薄膜，
晶体硅薄膜和有机半导体薄膜等；近
20 年来大量的研究人员在该领域中的工作取得了可
喜的成绩。薄膜太阳电池以其低成本、高转换效率、适合规模化生产等优点，引起生产厂家的
兴趣，薄膜太阳电他的产量得到迅速增长。如果以
10 年为一个周期进行分析，世界薄膜太
阳电池市场年增长率为
22．5％。BP solar 的光伏专家和企业界人士组成的一个研究组研
究证明：如果一家具有
60MW 生产能力的薄膜电池生产厂家，使用硒钢铜薄膜太阳电池、
非晶硅太阳电池、硫化铜薄膜太阳电池中的任意一种就能获得生产成本低于
1 欧元／瓦的无
框架光伏组件，如果采用晶体硅技术实现上述同样的目标，就需要建成一家年产量达
500Mw 太阳电他的生产厂。因此，整个光伏市场将会逐渐被薄膜太阳电池取而代之。从技
术成熟程度看，薄膜太阳电池生产仍有一定风险，但从薄膜技术不断完善和市场迅猛发展
看，薄膜光伏太阳电池具有十分广阔和诱人的前景。
1.CdS 薄膜与 Cu
2
S/CdS 太阳电池
Cu
2
S／CdS 是一种廉价太阳电池，它具有成本低、制备工艺十分简单的优点。因此，在
70-80 年代曾引起国内外广大光伏科研者的广泛兴趣，以空前热情进行研究。在烧结体
Cu2JCdS 太阳电池研究的基础上，70 年代开展了在多种衬底上使用直接和间接加热源的
方法沉积多晶
CdS 薄膜。薄膜制备方法主要有喷涂法、蒸发法等。
1.1 CdS 薄膜结构特性
CdS
Ⅱ
是非常重要的：
-Ⅵ 族化合物半导体材料。C 北薄膜具有纤锌矿结构，是直接带隙
材料，带隙较宽，为
2.42eV。实验证明，由于 CdS 层吸收的光谱损失不仅与 CdS 薄膜的
厚度有关，还与薄膜形成的方式有关。
1.2 CdS 薄膜光学性质
CdS 薄膜广泛应用于太阳电池窗口层，并作为 n 型层，与 p 型材料形成 p-n 结，从而构
成太阳电池。因此它对太阳电池的特性有很大影响，特别是对电池转换效率有很大影响。
一般认为，窗口层对光激发载流子是死层，其原因是，（1）CdS 层高度惨杂，因此耗
尽区只是
CdS 厚度的一小部分；（2）由于 CdS 层内缺陷密度较高，空穴扩散长度非常短，
如果耗尽区没有电场，载流子收集无效。
因此减少缺陷密度，可使扩散长度增加，能在 CdS 层内收集到更多的光激发载流子。
1.3 CdS 簿膜电学特性
一般而言，本征 CdS 薄膜的串联电阻很高，不利于做窗口层，在 300℃-350℃之间，
将
In 扩散入 CdS 中，把本征 CdS 变成 n-CdS，电导率可达 10
2
Ω
-1
cm
-1
左右。对
CdS 热处
理也能使电导率增加
10
8
Ω
-1
cm
-1
的量级。
在相对低温下进行热扩散，以免使膜退化。当在空气中加热到 300℃时，由于氧在晶界
有化学吸收，使光电导率衰减。
未掺杂的 CdS 薄膜的电阻率高，不是由于膜的不连续引起的，很可能是由于氧气介入，
氧俘获导带电子，形成化学吸附，存在晶界的多晶
CdS 薄膜更易吸收氧，在热退火过程中，
消除氧的吸附作用，降低了电阻率，因此热处理不但有效地滤掉了薄膜内部的氧，而且有
利于膜在优势晶向上长大。
1.4 CdS 薄膜和 Cu
2
S/CdS 太阳电池的制备方法
1.4.1 喷涂法
60 年代初，已有人开始采用喷涂或涂刷技术，研究 CdS 薄膜及 Cu
2
S／CdS 太阳电池。
为了适应工业化生产
CdS 薄膜，R，R.Chamberlin 和 J.F.Jorn 等人发展了这种方法。
用喷涂法制备 CdS 薄膜，其方法主要是将含有 3 和 Cd 的化合物水溶液，用喷涂设备喷
涂到玻璃或具有
SnO
2
导电膜的玻璃及其它材料的衬底上，经热分解沉积成
CdS 薄膜。
各国不同学者采用的工艺都基于如下热分解效应：
CdC1
2
+（NH
2
)
2
CS+2H
2
0→CdS↓十 2NH
4
Cl↑十 C0
2
↓