氧化鋅基太陽能電池及其製備方法
2023-05-01 07:55:26
專利名稱：氧化鋅基太陽能電池及其製備方法
氧化鋅基太陽能電池及其製備方法
技術領域：
本發明涉及太陽能電池的結構和製備方法，尤其涉及氧化鋅基太陽能電池 及其製備方法。
背景技術：
隨著人類社會步入21世紀，世界人口的劇烈增長和環境汙染的日益嚴重， 使人類對能源尤其是清潔的新能源的開發利用有了更大的需求。20世紀70年 代，由石油危機引發的第二次能源危機使人類意識到開發可再生能源的必要 性。而太陽能作為一種可再生能源，即不會改變地球的熱能平衡，也不會造成 生態環境汙染，並且是一種取之不盡、功率巨大、使用安全的能源。因此，太 陽能的開發利用越來越受到人類的重視。而研發新型的太陽能電池是開發利用 太陽能最有效的方法之一。
目前太陽能電池主要是使用矽材料，其光電轉化效率較高， 一般為15%左 右。另據美國軍方報導，用於軍事用途的矽基太陽能電池的最高轉化效率可達 36%。另外，液態結太陽能電池作為一種新型的太陽能電池，近些年發展也很 迅速，並且取得了大量的研究成果。液態結太陽能電池是利用液態的電解液作 為有源區的材料，將光能轉化為電能。電解液密採用密封劑密封在太陽能電池 之中。
雖然矽太陽能電池轉換效率高，但矽太陽能電池製造工藝複雜、材料要求 苛刻且價格昂貴，因此難於普及。而液態結太陽能電池在實踐中也存在許多缺 陷。液態結太陽能電池中呈液態的電解液在工作中遇到很多問題，例如由於 密封工藝複雜，長期放置造成電解液洩露；電池中還存在密封劑與電解液的反 應；在液體電解質中，電極有光腐蝕現象；高溫下溶劑揮發會導致其與染料作 用使染料降解等。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種結構和製備工藝簡單的太陽能電 池，並且能夠克服液態接太陽能電池由於存在液態電解液而帶來的諸多問題。
為了解決上述問題，本發明提供了一種氧化鋅基太陽能電池，包括透明襯 底層、透明襯底層表面的疊層和置於疊層中的電極，所述疊層包括位於透明襯
底表面依次遠離透明襯底的P型半導體層、光吸收層以及N型半導體層，所述 N型半導體層中含有氧化鋅納米線材料。
氧化鋅(Zn0)薄膜具有高透明性特徵，其透射率最高可達95%以上(參考 Solid State Communications 141(2007) p600 - 604)。因此，使用氧化鋅薄 膜作為電子傳導層不會阻擋太陽光照射到吸收層，同時，由於氧化鋅納米線材 料具有較高的載流子遷移率，因此採用此材料構成的薄膜作為太陽能電池的電 極進行電流傳輸，可以提高了載流子的傳輸速度，從而提高了太陽能電池光電 轉化效率。
作為可選的技術方案,所述光吸收層為硒化鎘(CdSe)。硒化鎘材料的禁 帶寬度為1. 7eV，與太陽光的波長(400nm至700nm)相匹配，因此是太陽光的 吸收層的優選材料。
作為可選的技術方案，所述P型半導體層中含有氧化亞銅(Cu20)材料。 本徵的Cii20呈現P型電導，無需摻雜即可以作為P型半導體層，因此是一種優 選的材料。並且，氧化亞銅的材料成本較多晶矽、GaAs等其他半導體材料低廉。
同時，當同時採用硒化鎘作為光吸收層、氧化亞銅作為P型半導體層的情 況下，氧化亞銅的價帶能級小於硒化鎘的價帶能級。從能帶圖的角度來說，對 於由硒化鎘和氧化亞銅形成的異質結而言，氧化亞銅價帶的位置要低於硒化鎘 的價帶位置，因此光吸收層中的硒化鎘由於吸收太陽光而產生的"電子-空穴 對"中的空穴可以通過p型Cu20層傳輸到電池的外部迴路之中。
作為可選的技術方案，所述N型半導體層的厚度範圍是100nm至1000nm。
作為可選的技術方案，所述N型半導體層與透明襯底層之間進一步包括多 晶氧化鋅或非晶氧化鋅過渡層。過渡層的作用在於提高氧化鋅納米線層的結晶 質量。本發明還提供了一種上述氧化鋅基太陽能電池的製備方法，包括如下步
驟
(a) 提供透明襯底；
(b) 在透明襯底表面生長金屬鋅層；
(C)在金屬鋅層遠離透明襯底的表面生長氧化鋅納米線層，作為N型半導體
層；
(d) 在氧化鋅納米線層遠離金屬鋅層的表面生長光吸收層；
(e) 在光吸收層遠離氧化鋅納米線層的表面製作P型半導體層；
(f) 在採用上述方法得到的多層結構中製作電極。 作為可選的技術方案，所述步驟(C)進一步包括如下步驟
(cl)將帶有金屬鋅層的透明襯底置於石英管中； (C2)加熱帶有金屬鋅層的透明襯底；
(c3)使混有含鋅物質粉末的氧氣流過金屬鋅層遠離透明襯底的表面。
所述含鋅物質粉末選自於金屬鋅粉末及氧化鋅粉末中的一種或兩種。此方 法採用金屬鋅或者氧化鋅的粉末作為鋅源，以氧氣作為氧源，反應容器採用石 英管。所述工藝所採用的物質和設備均為化合物半導體領域的常見物質和設 備，生長工藝簡便易行，對設備和工藝環境的要求不高，材料和工藝成本均較 矽基太陽能電池等其他太陽能電池低廉，因此是一種優選的技術方案。
根作為可選的技術方案，所述光吸收層為硒化鎘(CdSe)。在生長光吸收 層後，對光吸收層進行退火處理。通過退火處理可以進一步提高了硒化鎘薄膜 的結晶質量，從而進一步提高了其光吸收效率。
作為可選的技術方案，所述P型半導體層為氧化亞銅(Cu20)。在生長P 型半導體層後，對P型半導體層進行退火處理。通過退火處理進一步提高了氧 化亞銅薄膜的結晶質量，從而提高了空穴傳輸速度，達到提高太陽能電池的光 電轉化效率。
作為可選的技術方案，所述在透明襯底表面生長的金屬鋅層的厚度範圍是 50nm至300nm。
作為可選的技術方案，所述氧化鋅納米線層的厚度範圍是100nm至lOOOnm。
本發明的優點在於-
(1) 所述太陽能電池的整體結構簡單，並且製備工藝簡單易行。
(2) 太陽能電池的N型半導體層中含有氧化鋅納米線材料，可以提高了載 流子的傳輸速度，從而提高了太陽能電池光電轉化效率。
(3) 採用全固態結構，能夠克服液態接太陽能電池由於存在液態電解液而 帶來的諸多問題。
附圖1為本發明提供的氧化鋅基太陽能電池的具體實施方式
的結構示意
附圖2為本發明提供的氧化鋅基太陽能電池製備方法的具體實施方式
的工 藝流程附圖3至附圖8為本發明提供的氧化鋅基太陽能電池的製作方法具體實施 方式的工藝示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明提供的氧化鋅基太陽能電池及其製備方法的具體 實施方式做詳細說明。
首先結合附圖給出本發明所述氧化鋅基太陽能電池的具體實施方式
。
附圖1為本發明提供的氧化鋅基太陽能電池具體實施方式
的結構示意圖， 包括透明襯底100， N型半導體層llO、光吸收層120、 P型半導體層130以及 電極結構141和142。
所述透明襯底100為導電玻璃，導電玻璃是一種透明介質，不吸收太陽光， 且成本較低，因此是一種優選的技術方案。
所述N型半導體層110為氧化鋅納米線，其優點在於使用氧化鋅薄膜作為 電子傳導層不會阻擋太陽光照射到吸收層，同時，由於氧化鋅納米線材料具有 較高的載流子遷移率，因此採用此材料構成的薄膜作為太陽能電池的電極進行電流傳輸，可以提高了載流子的傳輸速度，從而提高了太陽能電池光電轉化效 率。
所述光吸收層120為硒化鎘，其優點在於硒化鎘材料的禁帶寬度為1. 7eV， 與太陽光的波長(400nm至700nm)相匹配。
所述P型半導體層130為氧化亞銅，其優點在於本徵的Cu20呈現P型電導， 無需摻雜即可以作為P型半導體層，並且氧化亞銅的材料成本較多晶矽、GaAs 等其他半導體材料低廉。
所述電極結構141和142為金屬電極。
所述N型半導體層的厚度是500rnn。
所述N型半導體層IIO與透明襯底層IOO之間還可以進一步包括多晶氧化 鋅或非晶氧化鋅過渡層。過渡層的作用在於提高氧化鋅納米線層的結晶質量。
下面結合附圖給出本發明所述氧化鋅基太陽能電池製備方法的具體實施 方式。
附圖2為本發明所述氧化鋅基太陽能電池製備方法的具體實施方式
的工藝 流程圖，包括如下步驟步驟SIO，提供透明襯底；步驟Sll，在透明襯底表 面生長金屬鋅層；步驟S12，在金屬鋅層遠離透明襯底的表面生長氧化鋅納米 線層，作為N型半導體層；步驟S13，在氧化鋅納米線層遠離金屬鋅層的表面 生長光吸收層；步驟S14，在光吸收層遠離氧化鋅納米線層的表面製作P型半 導體層；步驟S15,在採用上述方法得到的多層結構中製作電極。
附圖3至附圖8為本發明提供的氧化鋅基太陽能電池的製作方法具體實施 方式的工藝示意圖。
附圖3所示，參考步驟SIO，提供透明襯底200。在本具體實施方式
中， 所述透明襯底200為導電玻璃。
附圖4所示，參考步驟Sll，在透明襯底表面生長金屬鋅層210。在本具 體實施方式中，利用真空鍍膜技術在透明襯底200上製備出金屬鋅層210。金 屬鋅層210的厚度範圍是50nm 300nm，優選80nm。
附圖5所述，參考步驟S12，在金屬鋅層210遠離透明襯底200的表面生長氧化鋅納米線層220,作為N型半導體層。
生長氧化鋅納米線220層的具體方法是將具有金屬鋅層210的透明襯底 200置於氣相傳輸設備的石英管中，高純(99.999%)金屬鋅粉作為鋅源，透明 襯底200與金屬鋅層210加熱至60(TC，利用氧氣作為傳輸氣體。氧氣首先流 過金屬鋅粉，流過金屬鋅粉的氧氣攜帶有金屬鋅的粉末。使攜有金屬鋅粉末的 氧氣流過金屬鋅層的表面，在金屬鋅層的表面製得氧化鋅納米線層。為了控制 氧氣和金屬鋅粉末的比例，所述氧氣中也可以混有一定比例的氬氣。氧化鋅納 米線在金屬鋅層210的表面呈陣列狀排列，可以進一步提高氧化鋅納米線的載 流子遷移率。若干納米線聚集在一起，彼此之間的距離也較近，因此在宏觀上 具有了一定的厚度和機械強度，形成了一個連續的氧化鋅納米線層220。由於 氧化鋅所特有的自摻雜效應，因此該層可以作為N型半導體層。所述氧化鋅納 米線層220的厚度範圍是100nm至1000nm
同時，在氧氣的傳輸過程中，氧氣還可以氧化金屬鋅層210，得到一層氧 化鋅過渡層。該氧化鋅過渡層為非晶的氧化鋅，其作用在於提高後續生長的氧 化鋅納米線層210的結晶質量。
附圖6所述，參考步驟S13，在氧化鋅納米線層220遠離金屬鋅層210的 表面生長光吸收層230。
在本具體實施方式
中，採用磁控濺射方法在製備好的氧化鋅納米線層220 表面生長CdSe薄膜作為光吸收層230。採用磁控濺射方法，高純CdSe體材料 作為靶材，濺射的轟擊原子採用氬，濺射功率為150W，導電玻璃襯底加熱至 300°C。 CdSe薄膜生長後，利用原位退火技術進行退火處理，退火溫度為450 °C，得到高質量的CdSe薄膜。
附圖7所示，參考步驟S14，在光吸收層230遠離氧化鋅納米線層220的 表面製作P型半導體層240。
在本具體實施方式
中，在高質量的CdSe薄膜製備完成後，在磁控濺射設 備中直接生長高質量的Cu20薄膜。在光吸收層230和P型半導體層240的生長 過程中均採用磁控濺射方法，因此可以利用同一臺設備，通過採用不同的靶材 進行，而無需將襯底從設備中取出，因此使工藝得到簡化，且襯底無需暴露在
9空氣中，因此提高了光吸收層230和P型半導體層240界面的質量，因此是一 種較佳的技術方案。在採用磁控濺射生長0120的過程中，使用Cii20體材料作 為靶材，濺射的轟擊原子採用氧和氬的混合物質，濺射功率為240W，導電玻璃 襯底加熱至40(TC。 Cu20薄膜生長後，利用原位退火技術進行退火處理，退火 溫度為500°C ，得到高質量的Cu20薄膜。
附圖8所示，參考步驟S15，在採用上述方法得到的多層結構中製作電極 251和252。
得到所述氧化鋅納米線/CdSe/Cu20多層結構之後，在多層結構中製作金屬 電極。製作電極的詳細步驟與現有的製作太陽能電池電極的方法相同，此處不 加贅述。
測試表明，經上述步驟實施完畢後製得的太陽能電池，其光電轉化效率達 到8%以上。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通 技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些 改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種氧化鋅基太陽能電池，包括透明襯底層、透明襯底層表面的疊層和置於疊層中的電極，所述疊層包括位於透明襯底表面依次遠離透明襯底的P型半導體層、光吸收層以及N型半導體層，其特徵在於，所述N型半導體層中含有氧化鋅納米線材料。
2. 根據權利要求1所述的氧化鋅基太陽能電池，其特徵在於，所述光吸收 層為硒化鎘。
3. 根據權利要求1或2所述的氧化鋅基太陽能電池，其特徵在於，所述P 型半導體層為氧化亞銅。
4. 根據權利要求1所述的氧化鋅基太陽能電池，其特徵在於，所述N型半 導體層的厚度範圍是100nm至1000nm。
5. 根據權利要求1所述的氧化鋅基太陽能電池，其特徵在於，所述N型半 導體層與透明襯底層之間包括多晶氧化鋅或非晶氧化鋅過渡層。
6. —種權利要求1所述的氧化鋅基太陽能電池的製備方法，其特徵在於， 包括如下步驟(a) 提供透明襯底；(b) 在透明襯底表面生長金屬鋅層；(c) 在金屬鋅層遠離透明襯底的表面生長氧化鋅納米線層，作為N型半導 體層；(d) 在氧化鋅納米線層遠離金屬鋅層的表面生長光吸收層；(e) 在光吸收層遠離氧化鋅納米線層的表面製作P型半導體層；(f) 在採用上述方法得到的多層結構中製作電極。
7. 根據權利要求6所述的氧化鋅基太陽能電池的製備方法，其特徵在於， 所述步驟(c)進一步包括如下步驟(cl)將帶有金屬鋅層的透明襯底置於石英管中； (c2)加熱帶有金屬鋅層的透明襯底；(c3)使混有含鋅物質粉末的氧氣流過金屬鋅層遠離透明襯底的表面。
8. 根據權利要求7所述的氧化鋅基太陽能電池的製備方法，其特徵在於，所述含鋅物質粉末選自於金屬鋅粉末及氧化鋅粉末中的一種或兩種。
9. 根據權利要求6所述的氧化鋅基太陽能電池的製備方法，其特徵在於， 所述光吸收層為硒化鎘。
10. 根據權利要求9所述的氧化鋅基太陽能電池的製備方法，其特徵在於， 進一步包括如下步驟在生長光吸收層後，對光吸收層進行退火處理。
11. 根據權利要求6或9所述的氧化鋅基太陽能電池的製備方法，其特徵 在於，所述P型半導體層為氧化亞銅。
12. 根據權利要求11所述的氧化鋅基太陽能電池的製備方法，其特徵在於， 進一步包括如下步驟在生長P型半導體層後，對P型半導體層進行退火處理。
13. 根據權利要求6所述的氧化鋅基太陽能電池的製備方法，其特徵在於， 所述在透明襯底表面生長的金屬鋅層的厚度範圍是50nm至300ran。
14. 根據權利要求6所述的氧化鋅基太陽能電池的製備方法，其特徵在於， 所述氧化鋅納米線層的厚度範圍是100nm至1000nm。
全文摘要
一種氧化鋅基太陽能電池，包括透明襯底層、透明襯底層表面的疊層和置於疊層中的電極，所述疊層包括位於透明襯底表面依次遠離透明襯底的P型半導體層、光吸收層以及N型半導體層，所述N型半導體層中含有氧化鋅納米線材料。本發明的優點在於所述太陽能電池的整體結構簡單，並且製備工藝簡單易行；太陽能電池的N型半導體層中含有氧化鋅納米線材料，可以提高了載流子的傳輸速度，從而提高了太陽能電池光電轉化效率；採用全固態結構，能夠克服液態接太陽能電池由於存在液態電解液而帶來的諸多問題。
文檔編號H01L31/075GK101615640SQ20081003971
公開日2009年12月30日 申請日期2008年6月27日 優先權日2008年6月27日
發明者王相虎 申請人:上海電機學院