CdTe的直接帶隙是1.45eV，這與太陽光譜非常匹配，有利于光伏能量裝換。CdTe的的吸收系數高達105cm-1，99%的能量大于帶隙光子能被吸收在幾微米的CdTe薄膜中。高吸收系數保證了從紫外光到對應于CdTe帶隙的825nm波長的光量子產率。

CdTe作為光伏材料的另一個好處是制造技術的靈活性，能以高質量多晶薄膜形式大面積制造。能量轉換效率高達16.5%的小面積CdTe電池及效率為11%的商用組件已分別在實驗室證實和常規生產了。CdTe太陽能電池正被證明是太陽能電池市場最經濟的太陽能電池之一。由于載流子濃度比較低～1014cm-3并考慮到生長高質量多晶CdTe薄膜，CdTe太陽能電池的吸收層厚度通常為5-10μm。從原理上講，把CdTe厚度減薄到～1μm或者亞微米能大大減少材料消耗，從而降低太陽能電池生產成本。這對環境保護也是有利的，因為發生事故時會將Cd釋放到周圍環境中。本文報道吸收層厚度為5-0.5μm的CdTe薄膜太陽能電池的制作。

本研究中的CdTe薄膜太陽能電池的結構為玻璃/SnO2:F (FTO)/CdS/CdTe/Cu:Au/Ag 背電極。厚度約100nm的n型CdS窗口層用化學浴淀積（CBD）技術再FTO/玻璃襯底上制備，其方塊電阻是14Ω/sq。用自制的近空間升華（CSS）裝置在玻璃/FTO/CdS模板上制備CdTe吸收層。改變升華時間控制CdTe薄膜的厚度。然后把樣品與電池結構上已蒸發的CdCl2薄層在空氣氛圍中進行熱處理，接著在溴甲醇溶液中刻蝕。在真空室中用連續熱蒸發Cu和Au制備Cu:Au背接觸。最后在Cu/Au合金上刷銀漿作為背電極，再在150℃的爐子中烘干。本研究中的CdTe吸收層厚度控制在5、2.5、1和0.5μm。所有器件的光電流-電壓特性在標準的AM1.5情況下測量。

CdTe厚度為5和0.5μm的太陽能電池的表面形貌及截面微結構示于圖1。可以看到，對于5μm厚CdTe太陽能電池來說，吸收層由直徑1-3μm的密集堆積的CdTe晶粒組成。CdTe結晶質量高以及形成的CdTe/CdS異質結好使得能量轉換效率高達13.2%，如圖2(a)所示。對于0.5μm厚CdTe太陽能電池來說，見圖1(b)和(d)，CdTe晶粒尺寸幾乎減少一個數量級，為0.2～0.7μm。太陽能電池效率是4.7%。如以后要討論的，效率的降低是因為晶粒比較小的CdTe薄膜和CdTe/CdS結建立不完全。從圖2(d)的SEM截面圖像可以發現，0.5μm厚的CdTe有比較密集的堆積微結構，這保證了比較高的短路電流18.6mA/cm2。與開路電壓比較，吸收層厚度大于1μm的太陽能電池的短路電流僅稍微下降，如圖2(a) 所示。

由于CdTe的高吸收系數，在光照射的CdTe薄膜一側上的載流子產生速率約是1028m-3/s，在進入CdTe薄膜1μm光路徑中，它急劇減少為初始的0.01倍。這里報道的實驗結果和理論計算二者均證明，1μm厚的CdTe吸收層的厚度足以制造相當高效的CdTe太陽能電池。0.5μm厚的CdTe太陽能電池電流減少僅部分歸因于吸收減少。如圖2(b)。對于波長短于～825nm的高能光子（它們能在CdTe內產生電子-空穴對），0.5μm厚的CdTe太陽能電池的光吸收僅僅比5μm厚的CdTe太陽能電池吸收的少4%。這種光吸收的不足將導致相應光譜處量子效率降低。但是，以5μm厚的CdTe太陽能電池作為參考電池，由于光吸收不足引起的太陽能電池效率降低僅約0.5%。因此，效率降低主要歸因于開路電壓和填充因子的減少，在圖2(a)可以看到這一點。

隨著CdTe厚度減少，波長大于～825nm的光透射很快增加。5、2.5、1和0.5-μm厚CdTe太陽能電池的二極管質量因子分別為1.89、2.73、2.75和3.87，二極管質量因子是用J-V曲線以Hegedus和Shafarman9描述的數學分析方法計算出來的。這里報告的較薄CdTe電池大于2的二極管質量因子比實際值人為地提高了，因為在計算它們時假定光電流維持等于短路電流值的恒定數。但是當載流子壽命短時，光電流不再是恒定值，而是與電壓有關。對于0.5-μm厚CdTe太陽能電池，推導出的二極管質量因子值3.87僅僅是多晶硅微結構建立不完善和CdS/CdTe異質結泄漏嚴重的表征。5-μm厚CdTe太陽能電池的二極管質量因子值1.89表明，結電流是受Shockley-Read-Hall復合理論支配的。

在這種器件中，二極管質量因子受中帶隙態密度和/或高帶隙態密度支配。帶隙態密度的減少會導致二極管因子減少和電池性能提高。對于15%效率的CdTe太陽能電池，報道的二極管質量因子值是1.54。能量轉換效率13.2%與二極管質量因子1.89（串并聯電阻1142Ω-cm2）一起表明，CdS/CdTe結很好地形成了，CdTe吸收層的結晶質量對于5-μm厚CdTe太陽能電池來說相當好。隨著吸收層厚度的減少，5、2.5、1和0.5-μm厚的CdTe太陽能電池的開路電壓分別從745mV下降到628、598、575mV。Voc隨厚度下降而下降是比較大的漏電流和背接觸附近載流子復合損失引起的。不同厚度太陽能電池的暗J-V曲線示于圖3。電壓為-1.5V時5-μm厚CdTe太陽能電池的漏電流是21μA。0.5-μm厚CdTe太陽能電池的漏電流急劇增加，CdTe表面在溴甲醇溶液中刻蝕后更為嚴重，而對于5-μm厚CdTe太陽能電池來說，漏電流僅稍微增加，如圖3(b)所示。化學刻蝕期間，較薄的CdTe太陽能電池中產生分流路徑的可能性比在較厚的電池中高得多。

CdS/CdTe太陽能電池的空間電荷區比較寬，～2-4μm，這是因為CdTe吸收層的載流子密度比較低，～1×1014cm-3。上述實驗結果指出，采用較薄CdTe的器件容易形成分流路徑，這使開路電壓及填充因子減少。原理上，對于0.5-μm厚CdTe太陽能電池，空間電荷區會一直達到CdTe的背接觸。因此，表面/界面態能以與Ns/d成比例的密度作同等摻雜，這里，Ns和d分別是表面/界面態密度和CdTe厚度。

與較厚的電池比較，在較薄的CdTe太陽能電池中微結構與電學品質二者的微均勻性更難達到。較薄的CdTe太陽能電池容易形成低Voc微二極管，這些微二極管會在與主結方向相反的方向極大地通過電流，導致Voc和填充因子低。以5-μm厚CdTe太陽能電池作為參考電池，可以估計，0.5-μm厚CdTe太陽能電池大為增加的漏電流將使Voc降～100-300mV。對于5和0.5厚CdTe太陽能電池，并聯電阻分別從1142Ω-cm2降到103Ω-cm2。在化學刻蝕前及刻蝕期間，晶粒尺寸小得多的0.5μm厚CdTe電池中比在5-μm厚CdTe電池中產生分流路徑要容易得多，見圖3。

用對表面靈敏的XPS和拉曼（Raman）散射分析CdTe吸收層表面，示于圖4。0.5及1μm厚CdTe太陽能電池二者均在～168eV處顯示從SO4離子的強S 2p峰。硫原子來自CdTe生長期間CdS和CdTe的互擴散及相關的合金反應。CdTe吸收層厚度增加時，擴散到CdTe背面區域的S數量減少。請注意，與0.5μm厚CdTe電池比較，1μm厚CdTe電池的CdS化合物的S 2p 峰顯得更強，這是很有意思的。這表明，從CdS窗口層到CdTe吸收層發生了比較強S擴散，擴散中的S與CdTe反應形成CdSxTe1-x化合物。

我們過去的研究說明，在CdS/CdTe 界面發生了相當強的互擴散，在CdSXTe1-X合金中發現～9% 的硫組分。對于0.5μm厚CdTe電池，由于生長時間比較短（～30秒），互擴散及CdS和CdTe間的相關反應不夠，使得XPS S 2p強度比1μm厚CdTe電池低。結合能172.3和171.2eV的雙峰認為是由于亞硫酸氫HSO4-造成的，HSO4-是通過CdTe表面上形成的硫酸鹽表面周圍環境分子水的吸收和分解形成的。拉曼散射測試表明，0.5μm厚CdTe電池在123cm-1處有比較強的Te拉曼峰，且該峰強度隨CdTe薄膜厚度的增加而減小。

Te來自CdTe源升華反應CdTe→2Cd+Te2。作為CdTe薄膜中的析出物存在，因較薄CdTe薄膜生長時間短，Te來自形成CdTe的Te2與Cd的不完全反應。應該注意，與CdTe的比較，Te的散射截面至少要大二個數量級。所以，0.5μm厚CdTe電池觀察到相當的Te和CdTe拉曼強度并不一定意味著在吸收層薄膜中相當的Te和CdTe材料含量。薄CdTe太陽能電池Voc及填充因子的降低也可能是由從背接觸擴散進入CdTe中的Cu引起的。Cu是P型CdTe中的易擴散材料，它不局限于背接觸層中。相當多數量的Cu可能擴散到CdTe和CdS層中，對于吸收層厚度在微米級的薄CdTe太陽能電池來說尤其如此。多余的Cu在CdTe中產生大大降低Voc及填充因子的復合中心。

總之，對于1μm厚CdTe太陽能電池得到7.9%的效率。1μm厚CdTe太陽能電池吸收幾乎所有的光，光子能量高于帶隙的～99%的太陽光譜。1μm厚CdTe太陽能電池中載流子傳輸機理由空間電荷區內的Shockley-Read-Hall復合支配，1μm厚CdTe太陽能電池在本研究中是作為參考太陽能電池。吸收層厚度減少到1μm以下時，由于微米級結構和電學的不均勻性，相當容易產生分流途徑。空間電荷區內的復合中心密度因建立不完善的CdS/CdTe和從背接觸來的Cu擴散而增加。本研究用實驗證明，當前采用厚度6-8μm的吸收層CdTe可以減少到～1μm，仍能達到比較好的效率。這使CdTe太陽能電池無論是制造成本還是環境保護上均在光伏應用中更具競爭力。