CdTe薄膜太阳能电池吸收层

碲化镉（CdTe）吸收层是由多晶半导体薄膜构成的器件功能层，常见厚度为数微米。它吸收光子并产生电子与空穴；载流子能否在复合前到达结区和电极，既取决于材料内部，也取决于晶粒、晶界以及前后界面的结构。本文聚焦多晶CdTe薄膜的生长、贯穿厚度晶粒、晶界载流子损失和外量子效率（EQE），并以一项闭空间升华实验说明这些因素如何关联。文中的器件数值仅描述该研究制备的样品。

CdTe吸收层并非单晶片，而是由许多晶粒拼接成的多晶膜。2016年的一项研究采用玻璃/FTO导电层/n型硫化镉（CdS）窗口层/p型CdTe吸收层/背接触的结构。CdS与CdTe相邻处形成异质结；在器件工作时，结区电场参与分离光生载流子。电子到达结区、空穴到达背接触的路径会穿过吸收层，因此体缺陷、晶界和层间界面都可能引起散射、俘获或复合。

“贯穿厚度晶粒”描述的是晶粒沿薄膜法线方向从前侧向背侧延伸。它不等于整个吸收层成为一块单晶，也不表示所有晶界消失：相邻柱状晶粒之间仍有边界。其可能的好处在于，沿膜厚方向运动的载流子较少穿过平行于薄膜表面的晶界；若这些横向边界含有较多缺陷，减少载流子与它们的交会就可能降低边界相关的散射或复合。晶粒几何提供的是一条可能更少受阻的路径，不能单独保证高收集率。

Shen等人的实验以闭空间升华（CSS）制备约4微米厚的多晶CdTe膜，并使用由一层密排亚微米CdS晶粒构成的窗口层作为生长模板。CdTe沉积时，氩气与氧气总压保持在2 kPa，氧分压分别设为0.1 kPa和0.3 kPa；两组器件随后都在含氯化镉的空气中于400 °C活化10分钟。这个模板和热处理流程是该实验条件的一部分，不应视为所有CdTe工艺的通用配方。

在较高氧分压样品中，截面显微图显示CdTe晶粒沿膜厚方向生长，横向尺寸约为1至2微米；较低氧分压对照样品保留了更明显的横向晶界。两组薄膜均为闪锌矿结构并偏向（111）取向，但X射线衍射给出的（111）取向参数在0.3 kPa组为3.4、在0.1 kPa组为2.2；（111）摇摆曲线半高宽分别为3.6°和4.1°。这些数值对应同一论文中的两组样品及其表征方法，不能直接当作不同设备或不同生长路线之间的等级标准。

作者为这种形貌提出了一个氧化物辅助的生长解释：在约550 °C的生长前沿，氧、碲及镉相关物种可能形成低熔点混合层，帮助气相中的镉和碲物种被吸附并向液固界面迁移，随后在CdTe晶体生长面上继续沉积。论文将这一过程类比为气相—液相—固相（VLS）生长。XPS显示碲氧键主要出现在膜表面附近，信号在约60 nm深度后显著减弱；作者依据XPS和能量色散X射线分析估计该混合层约为50至70 nm。论文同时指出，这些浓度和厚度判断具有半定量性质。因而，表面氧化物组成、厚度及液相输运路径应理解为该团队用表征结果支持的机制假说，而非对生长前沿中液体流动的直接原位成像。

外量子效率表示不同波长的入射光子中，有多少最终转化为可收集的电子。它把光吸收、载流子产生、输运和收集连在一起，但本身不能指出单一损失来源。该研究报告，高氧分压样品在约600至800 nm波段的EQE较高。相较于400至500 nm光子，这一较长波段的光在CdTe中吸收得更深，产生的少数载流子到达CdS/CdTe结区前通常要经过更长的路径。作者据此将EQE改善与贯穿厚度晶粒减少横向晶界造成的散射和复合联系起来。

这一解释强调的是载流子路径，而非“晶粒越大，效率必然越高”的简单规律。实际收集还受晶粒内部缺陷、边界化学状态、掺杂与活化、结区能带排列和背接触等因素影响。形貌图、EQE光谱和电流—电压曲线相互补充，使该论文能够比较两组器件；它们并不单独证明某一种晶界结构在所有CdTe薄膜中都会产生相同的变化。

论文将电池尺寸记为4 × 4 mm²，器件结构为玻璃/FTO/n-CdS/p-CdTe/背接触。论文报告，0.3 kPa氧分压组的光电转换效率为15.2%，0.1 kPa组为11.3%；对应的开路电压为0.838 V和0.768 V，短路电流密度为25.1 mA/cm²和23.3 mA/cm²，填充因子为72.0%和63.1%。电流—电压曲线在AM1.5光谱条件下、辐照度1 kW/m²、样品温度25 °C测量；EQE另用单色光系统测量。效率数字是这些实验室器件在所述制备与测试条件下的论文结果，不是组件额定值、商业器件表现或独立认证记录。

更广的材料问题也说明了这一结论的边界。DOE研究页面将一项CdTe缺陷研究标为已结束，其目标是利用模型体系辨析多晶器件中限制开路电压和填充因子的缺陷与复合机制。2026年3月发布的CdTe Core最终技术报告记录了2021年10月至2025年3月的另一项项目：团队使用气相输运沉积等路线研究多晶CdTe中的掺杂、吸收层和晶界复合，并并行分析前界面、吸收层和后界面损失。报告把载流子浓度、少数载流子寿命及界面复合列为需要共同改善的因素。该项目与2016年的CSS氧辅助实验具有不同的生长和掺杂条件，不能用其项目成果替代前述样品比较，也不能将某一晶粒形貌视为消除体缺陷和接触损失的充分条件。

理解CdTe吸收层时，适宜将结构、载流子路径和器件测量放在同一条证据链上：先说明制膜与模板，再比较晶粒取向和界面结构，随后观察波长相关的EQE及相同器件条件下的电学数据。这样能解释一种具体微结构为何可能改善特定样品中的载流子收集，同时保留其对工艺、器件尺寸定义、测量条件和其他复合通道的依赖。

• Kai Shen 等：《High efficiency CdTe solar cells with a through-thickness polycrystalline CdTe thin film》，RSC Advances，2016年，6卷，52326–52333页；2016年5月20日首次发表。https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ra/c6ra07201a
• 美国能源部：《National Laboratory Photovoltaics Research》（国家实验室光伏研究）；页面所列相关项目已标为 inactive。https://www.energy.gov/cmei/systems/national-laboratory-photovoltaics-research
• Matthew Reese：《Final Technical Report (FTR): CdTe Core》，National Laboratory of the Rockies，技术报告 NLR/TP-5K00-99142，2026年3月。https://www.nlr.gov/docs/fy26osti/99142.pdf