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CdTe多晶薄膜太阳电池：制备工艺、性能剖析与前景展望

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展和人口的持续增长，能源需求不断攀升，传统化石能源如煤炭、石油和天然气等面临着日益严峻的枯竭问题，与此同时，使用化石能源所带来的环境污染和气候变化等负面效应也越发突出，对人类的可持续发展构成了严重威胁。在此背景下，开发清洁、可再生的新能源已成为全球能源领域的当务之急，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，其开发与利用对于缓解能源危机、减少环境污染具有重大意义，受到了世界各国的广泛关注和高度重视。

太阳能电池作为实现太阳能高效利用的关键器件，能够将太阳能直接转化为电能，为各类用电设备提供电力支持。在众多太阳能电池技术中，CdTe多晶薄膜太阳电池凭借其独特的优势，成为了太阳能领域的研究热点之一。CdTe多晶薄膜具有较高的光吸收系数，只需极薄的薄膜就能充分吸收太阳光中的大部分可见光，大大减少了材料的使用量，降低了生产成本；其禁带宽度约为1.5eV，与太阳光谱具有良好的匹配度，能够更有效地利用太阳能，理论上具有较高的光电转换效率；此外，CdTe多晶薄膜太阳电池的制备工艺相对简单，易于实现大规模产业化生产，在未来的能源市场中具有广阔的应用前景。

本研究致力于CdTe多晶薄膜太阳电池的制备及性能分析，通过深入探究制备工艺参数对电池性能的影响，优化制备工艺，提高电池的光电转换效率和稳定性，对于推动CdTe多晶薄膜太阳电池的产业化进程、促进太阳能的广泛应用具有重要的理论和实际意义，有望为解决全球能源问题提供新的思路和途径。

1.2国内外研究现状

在国外，CdTe多晶薄膜太阳电池的研究起步较早，取得了一系列重要成果。美国FirstSolar公司作为全球CdTe薄膜组件产业化的领军企业，在该领域具有显著优势。目前其年产能高达8GW，约占全球总产量的95%以上，量产碲化镉组件效率已成功达到19%。该公司生产的碲化镉组件主要面向大型地面电站市场，在美国，40%以上的地面电站都采用了其生产的组件。此外，FirstSolar公司和国家可再生能源实验室合作，在碲化镉的V族元素掺杂方面取得了突破性进展，在不含铜的情况下，成功将碲化镉载流子浓度增加到10^16cm^–3，不仅如此，电池的稳定性也得到了大大增强。

在国内，CdTe薄膜组件产业化虽起步较晚，但发展态势良好。凯盛集团依托旗下CTFSolar公司，已实现实验室转换效率20.24%，达到国际先进水平。凯盛集团在成都成功建设了世界首条1.92㎡的CdTe薄膜组件生产线，随后又相继在邯郸、佳木斯、株洲和瑞昌等地启动生产线建设工作，预计在2年内达到GW以上规模。杭州龙焱和中山瑞科新能源有限公司也在积极布局，杭州龙焱近期发布规划，计划新建更多碲化镉薄膜组件产能，而中山瑞科新能源有限公司年产能为80MW，产品尺寸为1200mm×600mm，均有后期产线建设规划。

当前，CdTe多晶薄膜太阳电池的研究热点主要集中在以下几个方面：一是提高电池的光电转换效率，通过优化材料结构、改进制备工艺以及探索新的掺杂技术等手段，突破现有效率瓶颈；二是降低生产成本，实现规模化生产，进一步提高CdTe多晶薄膜太阳电池在能源市场中的竞争力；三是解决电池的稳定性问题，研究掺杂元素的扩散机制以及其他影响电池稳定性的因素，提高电池的使用寿命。然而，目前的研究仍面临一些难点，例如，CdTe具有很强的自补偿效应，实现较为有效的P型重掺杂难度较大；CdTe薄膜缺陷较多，严重影响载流子的输运及少数载流子的寿命；CdTe具有较高的功函数，普通金属材料很难与其形成良好的欧姆接触，这些问题都亟待解决。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容包括CdTe多晶薄膜太阳电池的制备工艺和性能分析。在制备工艺方面，详细研究各制备工艺参数，如近空间升华法中的温度、压力、沉积时间，以及化学水浴沉积法中的溶液浓度、反应温度、反应时间等对CdTe薄膜结构和性能的影响，探索最佳的制备工艺参数组合。同时，深入研究背电极制备工艺，包括背电极材料的选择、制备方法以及后处理工艺等对电池性能的影响。在性能分析方面，运用多种分析测试手段，如X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、光致发光光谱（PL）等，对CdTe薄膜的晶体结构、表面形貌、光学性能等进行全面表征，深入分析薄膜结构与性能之间的内在联系。此外，通过测试电池的电流-电压特性曲线、量子效率等参数，系统评估电池的光电转换效率、开路电压、短路电流、填充因子等性能指标，并深入分析制备工艺对电池性能的影响机制。

本文采用实验研究和模拟分析相结合的方法。在实验研究方面，搭建实验平台，按照设定的实验方案