化合物薄膜太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電材料與薄膜太陽能電池制備領(lǐng)域，具體涉及銻基化合物薄 膜太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球能源危機的來臨，以及日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，清潔無污染能源 的研究已是迫在眉睫。太陽能作為一種清潔且儲量豐富的能源，已引起人們的廣泛關(guān) 注。如何制備出成本較低，轉(zhuǎn)換效率較高的太陽能電池則是其中的研究重點。太陽能電 池是一種利用光生伏特效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件。多元化合物薄膜太陽能 電池因其材料用量少、制備耗能低、弱光和高溫性能好、質(zhì)量較輕、可制作柔性電池、應(yīng) 用范圍較廣等優(yōu)點受到更多的重視。但現(xiàn)有薄膜太陽能電池（CIGS、CdTe、CZTS)含有 鎘，見Wu X，et al. "16.5%-efficient CdS/CdTe polycrystalline thin fi lm solar cell，' （Conference Proceedings,17th European Photovoltaic Solar Energy Conference，Munich，22-26 October 2001 ;995-1000);并見美國專利US20130074912 A1 : Band structure engineering for improved efficiency of cdte based photovoltaics。 鎘有劇毒，大范圍應(yīng)用有很大的環(huán)境風(fēng)險，且所含部分元素在地殼中含量較少以致價格昂 貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供化合物薄膜太陽能電池及其制備方法，解決現(xiàn)有化合物薄膜太陽能電 池中所需材料蘊含的元素在地殼中含量較少、價格昂貴、對人體有毒或生產(chǎn)工藝復(fù)雜的問 題。
[0004] 本發(fā)明所提供的化合物薄膜太陽能電池，包括襯底（1)及在其上依次沉積的透明 電極層（2)、N型緩沖層（3)、P型吸收層（4)和背電極層（6)，其特征在于：
[0005] 所述P型吸收層⑷材料為Sb2Se3、Cu3SbS3或Cu3SbS4。
[0006] 所述的化合物薄膜太陽能電池，所述P型吸收層（4)上可以沉積有空穴傳導(dǎo)層 (5)，空穴傳導(dǎo)層（5)上再沉積背電極層（6)。
[0007] 所述的化合物薄膜太陽能電池，所述襯底（1)可以為玻璃材料；所述透明電極層 ⑵可以為Sn02 :F、ln203 :Sn或ZnO:A1材料；所述N型緩沖層（3)可以為Ti02、CdS、 Zn(S，0)、ZnO、In2S3、In2 (S，0, 0H) 3、Sb2S3 或BaTi03 材料；所述空穴傳導(dǎo)層（5)可以為M〇03、 NiO、W03、V205、CuA102 或Cul材料；所述背電極層（6)可以為Mo、Cu、Au、Ni、Ag、C或A1 材 料或者它們的二元組合，所述二元組合為在一種材料的背電極層上再沉積另一種材料的背 電極層。
[0008] 所述的化合物薄膜太陽能電池，其進(jìn)一步特征在于：
[0009] 所述襯底⑴厚度為0. 01cm~3. 2cm;所述透明電極層⑵厚度為10nm~ lOOOnm;所述N型緩沖層（3)厚度為10nm~500nm;所述P型吸收層（4)厚度為0. 2iim~ 3ym;所述空穴傳導(dǎo)層（5)厚度為2nm~200nm;所述背電極層（6)厚度為0? 2lim~10lim;所述背電極層形狀為連續(xù)平面。
[0010] 所述的化合物薄膜太陽能電池的制備方法，包括沉積透明電極層步驟、沉積N型 緩沖層步驟、沉積P型吸收層步驟、沉積電極層步驟，其特征在于：
[0011] 一、沉積透明電極層步驟：采用磁控濺射、電阻加熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、激光脈沖沉 積法在襯底（1)表面沉積透明電極層（2);
[0012] 二、沉積N型緩沖層步驟：采用磁控濺射、電阻加熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、激光脈沖沉 積、電化學(xué)沉積、化學(xué)水浴沉積、溶液涂膜、噴霧熱解、金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積和原子 層沉積法在透明電極層（2)上沉積N型緩沖層（3);
[0013] 三、沉積P型吸收層步驟：采用磁控濺射、電阻加熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、激光脈沖沉 積、電化學(xué)沉積或溶液涂膜法，在N型緩沖層（3)上沉積P型吸收層（4);
[0014] 四、沉積背電極層步驟：采用磁控濺射、電阻加熱蒸發(fā)、噴涂或絲網(wǎng)印刷法，在P型 吸收層（4)上沉積背電極層（6)，從而制得PN結(jié)結(jié)構(gòu)的化合物薄膜太陽能電池。
[0015] 所述的化合物薄膜太陽能電池的制備方法，所述襯底（1)厚度可以為0. 01cm~ 3. 2cm;所述透明電極層（2)厚度可以為10nm~lOOOnm;所述N型緩沖層（3)厚度可以為 10nm~500nm;所述P型吸收層⑷厚度可以為0.2iim~3iim;所述背電極層（6)厚度可 以為0. 2iim~10iim;所述背電極層形狀為連續(xù)平面。
[0016] 當(dāng)具有空穴傳導(dǎo)層時，所述的化合物薄膜太陽能電池的制備方法，包括沉積透明 電極層步驟、沉積N型緩沖層步驟、沉積P型吸收層步驟、沉積空穴傳導(dǎo)層步驟、沉積背電極 層步驟，其特征在于：
[0017] 一、沉積透明電極層步驟：采用磁控濺射、電阻加熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、激光脈沖沉 積法在襯底（1)表面沉積透明電極層（2);
[0018] 二、沉積N型緩沖層步驟：采用磁控濺射、電阻加熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、激光脈沖沉 積、電化學(xué)沉積、化學(xué)水浴沉積、溶液涂膜、噴霧熱解、金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積和原子 層沉積法在透明電極層（2)上沉積N型緩沖層（3);
[0019] 三、沉積P型吸收層步驟：采用磁控濺射、電阻加熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、激光脈沖沉 積、電化學(xué)沉積或溶液涂膜法，在N型緩沖層（3)上沉積P型吸收層（4);
[0020] 四、沉積空穴傳導(dǎo)層（5)步驟：采用磁控濺射、電阻加熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、原子層 沉積、化學(xué)水浴沉積、激光脈沖沉積、金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積法在P型吸收層（4)上 沉積空穴傳導(dǎo)層（5);
[0021] 五、沉積背電極層步驟：采用磁控濺射、電阻加熱蒸發(fā)、噴涂或絲網(wǎng)印刷法，在P型 吸收層（4)上沉積背電極層（6)，從而制得PN結(jié)結(jié)構(gòu)的化合物薄膜太陽能電池。
[0022] 所述的化合物薄膜太陽能電池的制備方法，所述襯底（1)厚度可以為0. 01cm~ 3. 2cm;所述透明電極層⑵厚度可以為10nm~lOOOnm;所述N型緩沖層（3)厚度可以為 10nm~500nm;所述P型吸收層⑷厚度可以為0.2iim~3iim;所述空穴傳導(dǎo)層（5)厚度 可以為2nm~200nm;所述背電極層（6)厚度可以為0? 2ym~10ym;所述背電極層形狀為 連續(xù)平面。
[0023] 本發(fā)明具有優(yōu)異的光伏性能且對環(huán)境友好并有望實現(xiàn)低成本生產(chǎn)，其中構(gòu)成P型 吸收層的各種材料均選自地殼中資源豐富且不含有毒成分的元素，在制造和使用過程中不 會造成環(huán)境污染，由它們構(gòu)成的P型吸收層材料的禁帶寬度范圍約為〇. 5ev~2. 5ev，光譜 響應(yīng)范圍較廣，吸光系數(shù)高達(dá)lOYnr1;同時，P型吸收層可通過磁控濺射、電阻加熱蒸發(fā)、電 子束蒸發(fā)、激光脈沖沉積、電化學(xué)沉積或溶液涂膜法等多種方法制備，為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了 可能。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明實施例1~實施例10制備的的化合物薄膜太陽能電池的橫截面示 意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明實施例11~實施例20制備的的化合物薄膜太陽能電池的橫截面示 意圖；
[0026] 圖3為實施例1中P型吸收層材料Sb2Se3在N型緩沖層Ti02上的電子掃描顯微 鏡下的表面形貌；
[0027] 圖4為實施例1中P型吸收層材料Sb2Se3在N型緩沖層Ti02上的電子掃描顯微 鏡下的截面形貌；
[0028] 圖5為實施例1中P型吸收層材料Sb2Se3在N型緩沖層Ti02上的X射線衍射圖 譜；
[0029] 圖6為實施例1中P型吸收層材料Sb2Se3在N型緩沖層Ti02上的拉曼圖譜；
[0030] 圖7為實施例1中P型吸收層材料Sb2Se3在N型緩沖層Ti02上形成的晶體中Sb 元素的XPS圖譜；
[0031] 圖8為實施例1中P型吸收層材料Sb2Se3在N型緩沖層Ti02上形成的晶體中Se 元素的XPS圖譜；
[0032] 圖9為實施例1中P型吸收層材料Sb2Se3的TGA圖譜；
[0033] 圖10為實施例1中P型吸收層材料Sb2Se3在制備程中的飽和蒸汽壓圖譜；
[0034] 圖11為實施例1中P型吸收層材料Sb2Se3在N型緩沖層Ti02上的循環(huán)伏安曲線；
[0035] 圖12為實施例1中P型吸收層材料Sb2Se3在N型緩沖層Ti02上的光電相應(yīng)圖譜；
[0036] 圖13為實施例1制備得到的太陽能電池所測得的效率圖；
[0037] 圖14為實施例2中P型吸收層材料Sb2Se3在N型緩沖層ZnO上的電子掃描顯微 鏡下的表面形貌；
[0038] 圖15為實施例2中P型吸收層材料Sb2Se3在N型緩沖層ZnO上的電子掃描顯微 鏡下的截面形貌；
[0039] 圖16為實施例3中N型緩沖層材料Ti02在透明電極層Sn02 :F上的電子掃描 顯微鏡下的表面形貌；
[0040] 圖17為實施例3中N型緩沖層材料Ti02在透明電極層Sn02 :F上的電子掃描顯 微鏡下的截面形貌；
[0041] 圖18為實施例3中N型緩沖層材料Ti02在透明電極層Sn02 :F上測量透射圖譜 并通過透射圖譜計算出的禁帶寬度；
[0042] 圖19為實施例3中N型緩沖層材料Ti02在透明電極層Sn02 :F上的拉曼圖譜；
[0043]圖20為實施例3中N型緩沖層材料Ti02在透明電極層Sn02