一个典型的工业生产流程链如下:
玻璃进料 → 清洗 → TCO磁控溅射 → CdTe近空间升华 → CdCl₂退火→ 背接触层磁控溅射/蒸发 → 背电极热蒸发 → 后续处理(测试、封装等)
前电极和背接触层 主要依赖磁控溅射,以实现高均匀性和可控性。
核心吸收层 大规模生产主要依赖近空间升华,以实现高沉积速率和优异的薄膜结晶质量。
背电极 主要依赖简单的热蒸发,以降低成本和对器件的损伤。
靶材: FTO(氟掺杂氧化锡)靶、ITO(氧化铟锡)靶。
工艺气体: 氩气,通常加入少量氧气以调节薄膜的化学计量比和光电性能。
技术优势:
高均匀性: 能够在大面积玻璃基板上沉积非常均匀的薄膜。
高致密性: 溅射薄膜致密,针孔少,有利于提高器件稳定性和良率。
可控性好: 通过调节功率、气压、气体比例等参数,可以精确控制薄膜的厚度、电阻和透光率。
挑战: 需要平衡导电性和透光性。过厚的膜导电性好但透光性差,反之亦然。
这是整个工艺中最关键的一步,目前主流和高效的技术是近空间升华。
A. 近空间升华
原理: 将CdTe源材料(粉末或烧结块)加热至高温(约600°C),使其升华,并在正上方温度略低(约500°C)的基板上冷凝沉积。源与基板的距离很近(通常几毫米到几厘米),故名“近空间”。
技术优势:
高沉积速率: 可达数µm/min,非常适合大规模工业生产。
薄膜质量优异: 沉积的CdTe薄膜晶粒大、结晶性好,这是获得高效率电池的关键。
材料利用率高: 升华区域集中,材料损失少。
挑战:
对源和基板的平行度、温度控制精度要求极高。
设备相对复杂,维护要求高。
B. 磁控溅射
靶材: CdTe化合物靶。
工艺气体: 纯氩气。
技术优势:
均匀性极佳: 非常适合制备大面积、非常均匀的薄膜。
工艺温和: 基板温度相对较低。
与TCO镀膜设备兼容性好,易于集成。
挑战:
沉积速率慢: 远低于CSS。
薄膜结晶质量通常不如CSS法制备的薄膜,需要后续高温退火来改善,这会增加工艺复杂度。
化合物靶材制备成本较高。
结论: 对于追求高效率和大规模生产的碲化镉太阳能电池制造商,近空间升华是首选和主流技术。磁控溅射更多用于研究或特定结构的器件。
在CdTe吸收层沉积并经过CdCl₂退火处理后,需要制备背接触。
背接触层:
材料: Sb₂Te₃, ZnTe:Cu 等。目的是在CdTe(高功函数)和金属电极之间形成一个渐变过渡,降低接触电阻。
PVD技术: 磁控溅射(使用化合物靶或共溅射)或 热蒸发。磁控溅射更易于控制合金或掺杂成分。
背电极:
材料: 金属,如Ni, Al, Au等。
PVD技术: 热蒸发。因为:
工艺简单,成本低。
对下面已经完成的半导体层损伤小(蒸发粒子能量低)。
沉积速率快。