化合物薄膜太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体光电材料与薄膜太阳能电池制备领域，具体涉及锑基化合物薄 膜太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着全球能源危机的来临，以及日益严重的环境污染问题，清洁无污染能源 的研究已是迫在眉睫。太阳能作为一种清洁且储量丰富的能源，已引起人们的广泛关 注。如何制备出成本较低，转换效率较高的太阳能电池则是其中的研究重点。太阳能电 池是一种利用光生伏特效应将太阳能直接转化为电能的器件。多元化合物薄膜太阳能 电池因其材料用量少、制备耗能低、弱光和高温性能好、质量较轻、可制作柔性电池、应 用范围较广等优点受到更多的重视。但现有薄膜太阳能电池（CIGS、CdTe、CZTS)含有 镉，见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);并见美国专利US20130074912 A1 : Band structure engineering for improved efficiency of cdte based photovoltaics。 镉有剧毒，大范围应用有很大的环境风险，且所含部分元素在地壳中含量较少以致价格昂 贵。
【发明内容】
[0003] 本发明提供化合物薄膜太阳能电池及其制备方法，解决现有化合物薄膜太阳能电 池中所需材料蕴含的元素在地壳中含量较少、价格昂贵、对人体有毒或生产工艺复杂的问 题。
[0004] 本发明所提供的化合物薄膜太阳能电池，包括衬底（1)及在其上依次沉积的透明 电极层（2)、N型缓冲层（3)、P型吸收层（4)和背电极层（6)，其特征在于：
[0005] 所述P型吸收层⑷材料为Sb2Se3、Cu3SbS3或Cu3SbS4。
[0006] 所述的化合物薄膜太阳能电池，所述P型吸收层（4)上可以沉积有空穴传导层 (5)，空穴传导层（5)上再沉积背电极层（6)。
[0007] 所述的化合物薄膜太阳能电池，所述衬底（1)可以为玻璃材料；所述透明电极层 ⑵可以为Sn02 :F、ln203 :Sn或ZnO:A1材料；所述N型缓冲层（3)可以为Ti02、CdS、 Zn(S，0)、ZnO、In2S3、In2 (S，0, 0H) 3、Sb2S3 或BaTi03 材料；所述空穴传导层（5)可以为M〇03、 NiO、W03、V205、CuA102 或Cul材料；所述背电极层（6)可以为Mo、Cu、Au、Ni、Ag、C或A1 材 料或者它们的二元组合，所述二元组合为在一种材料的背电极层上再沉积另一种材料的背 电极层。
[0008] 所述的化合物薄膜太阳能电池，其进一步特征在于：
[0009] 所述衬底⑴厚度为0. 01cm~3. 2cm;所述透明电极层⑵厚度为10nm~ lOOOnm;所述N型缓冲层（3)厚度为10nm~500nm;所述P型吸收层（4)厚度为0. 2iim~ 3ym;所述空穴传导层（5)厚度为2nm~200nm;所述背电极层（6)厚度为0? 2lim~10lim;所述背电极层形状为连续平面。
[0010] 所述的化合物薄膜太阳能电池的制备方法，包括沉积透明电极层步骤、沉积N型 缓冲层步骤、沉积P型吸收层步骤、沉积电极层步骤，其特征在于：
[0011] 一、沉积透明电极层步骤：采用磁控溅射、电阻加热蒸发、电子束蒸发、激光脉冲沉 积法在衬底（1)表面沉积透明电极层（2);
[0012] 二、沉积N型缓冲层步骤：采用磁控溅射、电阻加热蒸发、电子束蒸发、激光脉冲沉 积、电化学沉积、化学水浴沉积、溶液涂膜、喷雾热解、金属有机化合物化学气相沉积和原子 层沉积法在透明电极层（2)上沉积N型缓冲层（3);
[0013] 三、沉积P型吸收层步骤：采用磁控溅射、电阻加热蒸发、电子束蒸发、激光脉冲沉 积、电化学沉积或溶液涂膜法，在N型缓冲层（3)上沉积P型吸收层（4);
[0014] 四、沉积背电极层步骤：采用磁控溅射、电阻加热蒸发、喷涂或丝网印刷法，在P型 吸收层（4)上沉积背电极层（6)，从而制得PN结结构的化合物薄膜太阳能电池。
[0015] 所述的化合物薄膜太阳能电池的制备方法，所述衬底（1)厚度可以为0. 01cm~ 3. 2cm;所述透明电极层（2)厚度可以为10nm~lOOOnm;所述N型缓冲层（3)厚度可以为 10nm~500nm;所述P型吸收层⑷厚度可以为0.2iim~3iim;所述背电极层（6)厚度可 以为0. 2iim~10iim;所述背电极层形状为连续平面。
[0016] 当具有空穴传导层时，所述的化合物薄膜太阳能电池的制备方法，包括沉积透明 电极层步骤、沉积N型缓冲层步骤、沉积P型吸收层步骤、沉积空穴传导层步骤、沉积背电极 层步骤，其特征在于：
[0017] 一、沉积透明电极层步骤：采用磁控溅射、电阻加热蒸发、电子束蒸发、激光脉冲沉 积法在衬底（1)表面沉积透明电极层（2);
[0018] 二、沉积N型缓冲层步骤：采用磁控溅射、电阻加热蒸发、电子束蒸发、激光脉冲沉 积、电化学沉积、化学水浴沉积、溶液涂膜、喷雾热解、金属有机化合物化学气相沉积和原子 层沉积法在透明电极层（2)上沉积N型缓冲层（3);
[0019] 三、沉积P型吸收层步骤：采用磁控溅射、电阻加热蒸发、电子束蒸发、激光脉冲沉 积、电化学沉积或溶液涂膜法，在N型缓冲层（3)上沉积P型吸收层（4);
[0020] 四、沉积空穴传导层（5)步骤：采用磁控溅射、电阻加热蒸发、电子束蒸发、原子层 沉积、化学水浴沉积、激光脉冲沉积、金属有机化合物化学气相沉积法在P型吸收层（4)上 沉积空穴传导层（5);
[0021] 五、沉积背电极层步骤：采用磁控溅射、电阻加热蒸发、喷涂或丝网印刷法，在P型 吸收层（4)上沉积背电极层（6)，从而制得PN结结构的化合物薄膜太阳能电池。
[0022] 所述的化合物薄膜太阳能电池的制备方法，所述衬底（1)厚度可以为0. 01cm~ 3. 2cm;所述透明电极层⑵厚度可以为10nm~lOOOnm;所述N型缓冲层（3)厚度可以为 10nm~500nm;所述P型吸收层⑷厚度可以为0.2iim~3iim;所述空穴传导层（5)厚度 可以为2nm~200nm;所述背电极层（6)厚度可以为0? 2ym~10ym;所述背电极层形状为 连续平面。
[0023] 本发明具有优异的光伏性能且对环境友好并有望实现低成本生产，其中构成P型 吸收层的各种材料均选自地壳中资源丰富且不含有毒成分的元素，在制造和使用过程中不 会造成环境污染，由它们构成的P型吸收层材料的禁带宽度范围约为〇. 5ev~2. 5ev，光谱 响应范围较广，吸光系数高达lOYnr1;同时，P型吸收层可通过磁控溅射、电阻加热蒸发、电 子束蒸发、激光脉冲沉积、电化学沉积或溶液涂膜法等多种方法制备，为产业化生产提供了 可能。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明实施例1~实施例10制备的的化合物薄膜太阳能电池的横截面示 意图；
[0025] 图2为本发明实施例11~实施例20制备的的化合物薄膜太阳能电池的横截面示 意图；
[0026] 图3为实施例1中P型吸收层材料Sb2Se3在N型缓冲层Ti02上的电子扫描显微 镜下的表面形貌；
[0027] 图4为实施例1中P型吸收层材料Sb2Se3在N型缓冲层Ti02上的电子扫描显微 镜下的截面形貌；
[0028] 图5为实施例1中P型吸收层材料Sb2Se3在N型缓冲层Ti02上的X射线衍射图 谱；
[0029] 图6为实施例1中P型吸收层材料Sb2Se3在N型缓冲层Ti02上的拉曼图谱；
[0030] 图7为实施例1中P型吸收层材料Sb2Se3在N型缓冲层Ti02上形成的晶体中Sb 元素的XPS图谱；
[0031] 图8为实施例1中P型吸收层材料Sb2Se3在N型缓冲层Ti02上形成的晶体中Se 元素的XPS图谱；
[0032] 图9为实施例1中P型吸收层材料Sb2Se3的TGA图谱；
[0033] 图10为实施例1中P型吸收层材料Sb2Se3在制备程中的饱和蒸汽压图谱；
[0034] 图11为实施例1中P型吸收层材料Sb2Se3在N型缓冲层Ti02上的循环伏安曲线；
[0035] 图12为实施例1中P型吸收层材料Sb2Se3在N型缓冲层Ti02上的光电相应图谱；
[0036] 图13为实施例1制备得到的太阳能电池所测得的效率图；
[0037] 图14为实施例2中P型吸收层材料Sb2Se3在N型缓冲层ZnO上的电子扫描显微 镜下的表面形貌；
[0038] 图15为实施例2中P型吸收层材料Sb2Se3在N型缓冲层ZnO上的电子扫描显微 镜下的截面形貌；
[0039] 图16为实施例3中N型缓冲层材料Ti02在透明电极层Sn02 :F上的电子扫描 显微镜下的表面形貌；
[0040] 图17为实施例3中N型缓冲层材料Ti02在透明电极层Sn02 :F上的电子扫描显 微镜下的截面形貌；
[0041] 图18为实施例3中N型缓冲层材料Ti02在透明电极层Sn02 :F上测量透射图谱 并通过透射图谱计算出的禁带宽度；
[0042] 图19为实施例3中N型缓冲层材料Ti02在透明电极层Sn02 :F上的拉曼图谱；
[0043]图20为实施例3中N型缓冲层材料Ti02在透明电极层Sn02