薄膜太陽電池CdS緩衝層及製備方法
2023-05-02 09:05:16 1
專利名稱：薄膜太陽電池CdS緩衝層及製備方法
技術領域：
本發明涉及太陽電池領域，具體涉及薄膜太陽電池CdS緩衝層
及製備方法。
背景技術：
在全球能源危機和環境汙染日益加重的今天，太陽能以無汙染， 零排放以及分布最廣泛，取之不盡等優點越來越多地受到人們的重 視。太陽電池是解決日趨嚴重的能源危機與環境汙染的有效手段之 一，得到人們越來越廣泛的關注和重視，世界各國均把發展太陽電池 技術放在可再生能源的首位。其中，太陽電池材料已成為目前最具活 力和最受矚目的研究領域之一。
基於晶體矽(單晶矽和多晶矽及其薄膜)的第一代太陽電池由於
其光電轉化率高(已分別達到24.7%和20.3%)目前在工業生產和市 場上處於主導地位。其技術比較成熟因而佔整個太陽能產量的90% 以上。但是由於需要消耗大量高純原料，原料成本佔總成本的60% 一80%，導致價格居高不下，成為太陽電池推廣應用的主要障礙。由 於節省原材料，有效降低太陽電池的成本，基於薄膜技術的第二代太 陽電池逐漸顯示出巨大的優勢和發展潛力，成為近些年來太陽電池領 域的研究熱點。
在各種薄膜太陽電池當中，以具有黃銅礦結構的硫屬化合物 CuIni-xGaxSe2(CIGS, x^ l)作為光吸收層，CdS作為緩衝層的薄膜太 陽電池(ZnO/CdS/CIGS)由於轉化效率高(已達到19.9%)、穩定性 好、製備簡單等特點受人們關注，成為研究的重點和熱點。CUInSe2為代表的I-III-Vl2族黃銅礦結構直接能隙半導體材料， 具有較高的光吸收係數(達105數量級)，適合於製成薄膜太陽電池， 其禁帶寬度為1.04 eV。
緩衝層在CIGS系薄膜太陽電池中是很必要而且是關鍵的組成部 分，它與吸收層的失配率大小決定異質結性能是否良好。緩衝層的作 用包括(1)減少異質結的晶格失配率；(2)包覆在粗糙的CIGS表 面，阻止後續膜層的製備工序(如濺射ZnO)對CIGS薄膜的損傷， 並消除由此引起的電池短路現象；(3)薄膜中原子擴散到CIGS表面 有序缺陷層進行微量摻雜，改善異質結的特性。
CdS薄膜具有纖鋅礦結構，是直接帶隙半導體，帶隙為2.4eV， 將其應用於CIGS電池的窗口層，並作為n型半導體，與p型的CIGS 構成異質結太陽電池。雖然CdS只有50nm左右厚，但CdS中Cd是 有毒的重金屬離子，在CdS的製備使用和回收處理中會對環境造成 汙染；另外CdS的禁帶寬度為2.4eV，帶隙偏小，對太陽光長波部分 的吸收而會造成電池短路電流的降低。
發明內容
針對目前單一CdS用作CIGS系薄膜太陽電池緩衝層存在的問題， 本發明提供一種CdS緩衝層及其製備方法。
本發明的薄膜太陽電池CdS緩衝層的其特徵是所述緩衝層是包 含CdxMl-XS的薄膜，其中(Kx^， M代表金屬化學元素。
在優選實施例中，
所述緩衝層厚度為50nm-80nm，帶隙為2.3 eV-3.1eV。 所述CdxMl-XS是通過對CdS進行金屬離子摻雜而獲得的,所述金 屬離子摻雜中金屬為Pb、 In、 Zn、 Sn中的至少一種。
本發明的薄膜太陽電池CdS緩衝層製備方法，是在一定溫度條件下，將含鎘的化合物與含硫的化合物進行化學反應，向反應過程中 添加含金屬離子的化合物或者溶液，進行金屬離子摻雜，製備出
C4M,.xS薄膜。
所述含鎘的化合物為含Cd的滷化物、硝酸鹽、硫酸鹽、醋酸鹽 中的至少一種化合物，優選Cd硝酸鹽、硫酸鹽、醋酸鹽。反應體系 中Cd2+濃度為0.005 1.0 mol/L。
所述含硫的化合物為Na2S， Na2S203，硫代乙醯胺，硫脲中的至 少一種化合物，優選硫脲，Na2S203。反應體系中S^濃度為0.005 1.0 mol/Lo
所述的化學反應為化學浴沉積法。
所述的金屬離子慘雜中金屬離子為Pb、 In、 Zn、 Sn中的至少一 種。反應體系中慘雜金屬離子濃度為0.005~1.0mol/L。 所述的反應溫度為10°C ~90°C。
採用上述方案後， 一方面減少材料中Cd的用量，減少鎘金屬汙 染問題，有利於環境保護；另一方面通過摻雜可有效調整緩衝層材料 的帶隙，繼而提高銅銦鎵硒系薄膜太陽電池的光電轉換效率。
具體實施例方式
下面結合實施例，對本發明作進一步詳細說明，但不得將這些實 施例解釋為對本發明保護範圍的限制。 實施例1
所用藥品為分析純試劑，採用去離子水配製。用去離子水將 CdSO4配製成0.02 mol/L的溶液；用去離子水配製1.0 mol/L硫脲溶 液；將ZnS04配製成0.02 mol/L的溶液。先將100 mL硫酸鎘溶液和 100 mL氨水混合置於反應器中，再將反應器置於水浴鍋中加熱到 70°C，然後加入50 mL硫脲溶液混合，調整PH值約為8.5 8.8，將50 mL ZnS04溶液加入反應體系中。反應過程看到溶液首先變成黃綠 色，逐漸變成黃色，最後變成橙色。反應時間為0.5 h。取出沉積樣 品，用去離子水清洗，再用氮氣吹乾樣品，得到摻Zn的Cd。.5Zn.5S 薄膜，厚度約為70mn，帶隙為3.1eV。 實施例2
所用藥品為分析純試劑，採用去離子水配製。用去離子水將 CdSO4配製成0.02mol/L的溶液;用去離子水配製1.0mol/L硫脲溶液， 將PbS04配製成0.02 mol/L的溶液。先將100 mL硫酸鎘溶液和100 mL氨水混合置於反應器中，再將反應器置於水浴鍋中加熱到70°C， 然後加入50 mL硫脲溶液混合，調整PH值約為9.5~9.5，將10 mL PbS04溶液加入反應體系中。反應過程看到溶液首先變成黃綠色，逐 漸變成黃色，最後變成橙色。反應時間為0.5 h。取出沉積樣品，用 去離子水清洗，再用氮氣吹乾樣品，得到慘Pb的Cd。.9PbaiS薄膜， 厚度約為60nm，帶隙為2.3eV。 實施例3
所用藥品為分析純試劑，採用去離子水配製。用去離子水將CdCl2 配製成0.03 mol/L的溶液；用去離子水配製1.0 mol/L硫脲溶液，將 ZnCl2配製成0.03 mol/L的溶液。先將100 mL氯化鎘溶液和100 mL 氨水混合置於反應器中，再將反應器置於水浴鍋中加熱到70°C，然 後加入20mL硫脲溶液，調整PH值約為8.0~8.2，將50mLZnCl2溶 液加入反應體系中。反應過程看到溶液首先變成黃綠色，逐漸變成黃 色，最後變成橙色。反應時間為0.6 h。取出沉積樣品，用去離子水 清洗，再用氮氣吹乾樣品，得到慘Zn的Cdo.7Zno.3S薄膜，厚度約為 80nm，帶隙為2.9eV。 實施例4
所用藥品為分析純試劑，採用去離子水配製。用去離子水將CdCl2配製成0.02 mol/L的溶液；用去離子水配製1.0 mol/L硫代硫酸鈉溶 液，將ZnCl2配製成0.02 mol/L的溶液。先將100 mL氯化鎘溶液和 100 mL氨水混合置於反應器中，再將反應器置於水浴鍋中加熱到 70°C，然後加入40 mL硫代硫酸鈉溶液，調整PH值約為9.0 9.2， 將40 mL ZnCl2溶液加入反應體系中。反應過程看到溶液首先變成黃 綠色，逐漸變成黃色，最後變成橙色。反應時間為0.2 h。取出沉積 樣品，用去離子水清洗，再用氮氣吹乾樣品，得到慘Zn的CdQ.8Zn.2S 薄膜，厚度約為50nm，帶隙為2.8eV。
權利要求
1、一種薄膜太陽電池CdS緩衝層，其特徵是所述緩衝層是包含CdxM1-XS的薄膜，其中0＜x＜1，M代表金屬化學元素。
2、 如權利要求1所述的薄膜太陽電池CdS緩衝層，其特徵是所 述緩衝層厚度為50 nm-80 nm，帶隙為2.3 eV -3.1eV。
3、 如權利要求1所述的薄膜太陽電池CdS緩衝層，其特徵是所 述CdxM10cS是通過對CdS進行金屬離子摻雜而獲得的,所述金 屬離子摻雜中金屬為Pb、 In、 Zn、 Sn中的至少一種。
4、 薄膜太陽電池CdS緩衝層製備方法，其特徵在於將含鎘的化 合物與含硫的化合物進行化學反應，反應中添加含金屬離子的 化合物或者溶液，進行金屬離子摻雜，制各出C4MlxS薄膜， 其中0"<1， M代表金屬化學元素。
5、 根據權利要求4所述的薄膜太陽電池CdS緩衝層製備方法，其 特徵在於所述含鎘的化合物為含鎘的滷化物、硝酸鹽、硫酸 鹽、醋酸鹽中的至少一種化合物。
6、 根據權利要求4所述的薄膜太陽電池CdS緩衝層製備方法，其 特徵在於所述含硫的化合物為Na2S、 Na2S203、硫代乙醯胺、 硫脲中的至少一種化合物。
7、 根據權利要求4所述的薄膜太陽電池CdS緩衝層製備方法，其 特徵在於所述化學反應為化學浴沉積法。
8、 根據權利要求4所述的薄膜太陽電池CdS緩衝層製備方法，其 特徵在於所述金屬離子摻雜中金屬為Pb、 In、 Zn、 Sn中的至 少一種。
9、 根據權利要求4所述的薄膜太陽電池CdS緩衝層製備方法，其 特徵在於反應溫度為10°C~90°C。
全文摘要
本發明涉及薄膜太陽電池CdS緩衝層及製備方法。將含鎘的化合物與含硫的化合物進行化學反應，反應中添加含金屬離子的化合物或者溶液，進行金屬離子摻雜，製備出CdxM1-xS薄膜，用作銅銦鎵硒(CIGS)系薄膜太陽電池的緩衝層材料。本發明一方面減少材料中Cd的用量，減少鎘金屬汙染問題，有利於環境保護；另一方面通過摻雜可有效調整緩衝層材料的帶隙，繼而提高銅銦鎵硒系薄膜太陽電池的光電轉換效率。
文檔編號H01L31/0216GK101645466SQ200910108649
公開日2010年2月10日 申請日期2009年7月9日 優先權日2009年7月9日
發明者萍 劉, 賴延清 申請人:深圳丹邦投資集團有限公司