專利名稱：氧化鋅基太陽能電池及其制備方法
氧化鋅基太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池的結(jié)構(gòu)和制備方法，尤其涉及氧化鋅基太陽能電池 及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著人類社會(huì)步入21世紀(jì)，世界人口的劇烈增長和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重， 使人類對(duì)能源尤其是清潔的新能源的開發(fā)利用有了更大的需求。20世紀(jì)70年 代，由石油危機(jī)引發(fā)的第二次能源危機(jī)使人類意識(shí)到開發(fā)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(huì)改變地球的熱能平衡，也不會(huì)造成 生態(tài)環(huán)境污染，并且是一種取之不盡、功率巨大、使用安全的能源。因此，太 陽能的開發(fā)利用越來越受到人類的重視。而研發(fā)新型的太陽能電池是開發(fā)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硅材料，其光電轉(zhuǎn)化效率較高， 一般為15%左 右。另據(jù)美國軍方報(bào)道，用于軍事用途的硅基太陽能電池的最高轉(zhuǎn)化效率可達(dá) 36%。另外，液態(tài)結(jié)太陽能電池作為一種新型的太陽能電池，近些年發(fā)展也很 迅速，并且取得了大量的研究成果。液態(tài)結(jié)太陽能電池是利用液態(tài)的電解液作 為有源區(qū)的材料，將光能轉(zhuǎn)化為電能。電解液密采用密封劑密封在太陽能電池 之中。
雖然硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率高，但硅太陽能電池制造工藝復(fù)雜、材料要求 苛刻且價(jià)格昂貴，因此難于普及。而液態(tài)結(jié)太陽能電池在實(shí)踐中也存在許多缺 陷。液態(tài)結(jié)太陽能電池中呈液態(tài)的電解液在工作中遇到很多問題，例如由于 密封工藝復(fù)雜，長期放置造成電解液泄露；電池中還存在密封劑與電解液的反 應(yīng)；在液體電解質(zhì)中，電極有光腐蝕現(xiàn)象；高溫下溶劑揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致其與染料作 用使染料降解等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種結(jié)構(gòu)和制備工藝簡單的太陽能電 池，并且能夠克服液態(tài)接太陽能電池由于存在液態(tài)電解液而帶來的諸多問題。
為了解決上述問題，本發(fā)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于疊層中的電極，所述疊層包括位于透明襯
底表面依次遠(yuǎn)離透明襯底的P型半導(dǎo)體層、光吸收層以及N型半導(dǎo)體層，所述 N型半導(dǎo)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征，其透射率最高可達(dá)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(dǎo)層不會(huì)阻擋太陽光照射到吸收層，同時(shí)，由于氧化鋅納米線材 料具有較高的載流子遷移率，因此采用此材料構(gòu)成的薄膜作為太陽能電池的電 極進(jìn)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(zhuǎn)化效率。
作為可選的技術(shù)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(yōu)選材料。
作為可選的技術(shù)方案，所述P型半導(dǎo)體層中含有氧化亞銅(Cu20)材料。 本征的Cii20呈現(xiàn)P型電導(dǎo)，無需摻雜即可以作為P型半導(dǎo)體層，因此是一種優(yōu) 選的材料。并且，氧化亞銅的材料成本較多晶硅、GaAs等其他半導(dǎo)體材料低廉。
同時(shí)，當(dāng)同時(shí)采用硒化鎘作為光吸收層、氧化亞銅作為P型半導(dǎo)體層的情 況下，氧化亞銅的價(jià)帶能級(jí)小于硒化鎘的價(jià)帶能級(jí)。從能帶圖的角度來說，對(duì) 于由硒化鎘和氧化亞銅形成的異質(zhì)結(jié)而言，氧化亞銅價(jià)帶的位置要低于硒化鎘 的價(jià)帶位置，因此光吸收層中的硒化鎘由于吸收太陽光而產(chǎn)生的"電子-空穴 對(duì)"中的空穴可以通過p型Cu20層傳輸?shù)诫姵氐耐獠炕芈分小?br> 作為可選的技術(shù)方案，所述N型半導(dǎo)體層的厚度范圍是100nm至1000nm。
作為可選的技術(shù)方案，所述N型半導(dǎo)體層與透明襯底層之間進(jìn)一步包括多 晶氧化鋅或非晶氧化鋅過渡層。過渡層的作用在于提高氧化鋅納米線層的結(jié)晶 質(zhì)量。本發(fā)明還提供了一種上述氧化鋅基太陽能電池的制備方法，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(yuǎn)離透明襯底的表面生長氧化鋅納米線層，作為N型半導(dǎo)體
層；
(d) 在氧化鋅納米線層遠(yuǎn)離金屬鋅層的表面生長光吸收層；
(e) 在光吸收層遠(yuǎn)離氧化鋅納米線層的表面制作P型半導(dǎo)體層；
(f) 在采用上述方法得到的多層結(jié)構(gòu)中制作電極。 作為可選的技術(shù)方案，所述步驟(C)進(jìn)一步包括如下步驟
(cl)將帶有金屬鋅層的透明襯底置于石英管中； (C2)加熱帶有金屬鋅層的透明襯底；
(c3)使混有含鋅物質(zhì)粉末的氧氣流過金屬鋅層遠(yuǎn)離透明襯底的表面。
所述含鋅物質(zhì)粉末選自于金屬鋅粉末及氧化鋅粉末中的一種或兩種。此方 法采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(yīng)容器采用石 英管。所述工藝所采用的物質(zhì)和設(shè)備均為化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域的常見物質(zhì)和設(shè) 備，生長工藝簡便易行，對(duì)設(shè)備和工藝環(huán)境的要求不高，材料和工藝成本均較 硅基太陽能電池等其他太陽能電池低廉，因此是一種優(yōu)選的技術(shù)方案。
根作為可選的技術(shù)方案，所述光吸收層為硒化鎘(CdSe)。在生長光吸收 層后，對(duì)光吸收層進(jìn)行退火處理。通過退火處理可以進(jìn)一步提高了硒化鎘薄膜 的結(jié)晶質(zhì)量，從而進(jìn)一步提高了其光吸收效率。
作為可選的技術(shù)方案，所述P型半導(dǎo)體層為氧化亞銅(Cu20)。在生長P 型半導(dǎo)體層后，對(duì)P型半導(dǎo)體層進(jìn)行退火處理。通過退火處理進(jìn)一步提高了氧 化亞銅薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，從而提高了空穴傳輸速度，達(dá)到提高太陽能電池的光 電轉(zhuǎn)化效率。
作為可選的技術(shù)方案，所述在透明襯底表面生長的金屬鋅層的厚度范圍是 50nm至300nm。
作為可選的技術(shù)方案，所述氧化鋅納米線層的厚度范圍是100nm至lOOOnm。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于-
(1) 所述太陽能電池的整體結(jié)構(gòu)簡單，并且制備工藝簡單易行。
(2) 太陽能電池的N型半導(dǎo)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(zhuǎn)化效率。
(3) 采用全固態(tài)結(jié)構(gòu)，能夠克服液態(tài)接太陽能電池由于存在液態(tài)電解液而 帶來的諸多問題。


附圖1為本發(fā)明提供的氧化鋅基太陽能電池的具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意
附圖2為本發(fā)明提供的氧化鋅基太陽能電池制備方法的具體實(shí)施方式
的工 藝流程附圖3至附圖8為本發(fā)明提供的氧化鋅基太陽能電池的制作方法具體實(shí)施 方式的工藝示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的氧化鋅基太陽能電池及其制備方法的具體 實(shí)施方式做詳細(xì)說明。
首先結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述氧化鋅基太陽能電池的具體實(shí)施方式
。
附圖1為本發(fā)明提供的氧化鋅基太陽能電池具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖， 包括透明襯底100， N型半導(dǎo)體層llO、光吸收層120、 P型半導(dǎo)體層130以及 電極結(jié)構(gòu)141和142。
所述透明襯底100為導(dǎo)電玻璃，導(dǎo)電玻璃是一種透明介質(zhì)，不吸收太陽光， 且成本較低，因此是一種優(yōu)選的技術(shù)方案。
所述N型半導(dǎo)體層110為氧化鋅納米線，其優(yōu)點(diǎn)在于使用氧化鋅薄膜作為 電子傳導(dǎo)層不會(huì)阻擋太陽光照射到吸收層，同時(shí)，由于氧化鋅納米線材料具有 較高的載流子遷移率，因此采用此材料構(gòu)成的薄膜作為太陽能電池的電極進(jìn)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(zhuǎn)化效 率。
所述光吸收層120為硒化鎘，其優(yōu)點(diǎn)在于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(dǎo)體層130為氧化亞銅，其優(yōu)點(diǎn)在于本征的Cu20呈現(xiàn)P型電導(dǎo)， 無需摻雜即可以作為P型半導(dǎo)體層，并且氧化亞銅的材料成本較多晶硅、GaAs 等其他半導(dǎo)體材料低廉。
所述電極結(jié)構(gòu)141和142為金屬電極。
所述N型半導(dǎo)體層的厚度是500rnn。
所述N型半導(dǎo)體層IIO與透明襯底層IOO之間還可以進(jìn)一步包括多晶氧化 鋅或非晶氧化鋅過渡層。過渡層的作用在于提高氧化鋅納米線層的結(jié)晶質(zhì)量。
下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述氧化鋅基太陽能電池制備方法的具體實(shí)施 方式。
附圖2為本發(fā)明所述氧化鋅基太陽能電池制備方法的具體實(shí)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(yuǎn)離透明襯底的表面生長氧化鋅納米 線層，作為N型半導(dǎo)體層；步驟S13，在氧化鋅納米線層遠(yuǎn)離金屬鋅層的表面 生長光吸收層；步驟S14，在光吸收層遠(yuǎn)離氧化鋅納米線層的表面制作P型半 導(dǎo)體層；步驟S15,在采用上述方法得到的多層結(jié)構(gòu)中制作電極。
附圖3至附圖8為本發(fā)明提供的氧化鋅基太陽能電池的制作方法具體實(shí)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(shí)施方式
中， 所述透明襯底200為導(dǎo)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(shí)施方式中，利用真空鍍膜技術(shù)在透明襯底200上制備出金屬鋅層210。金 屬鋅層210的厚度范圍是50nm 300nm，優(yōu)選80nm。
附圖5所述，參考步驟S12，在金屬鋅層210遠(yuǎn)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(dǎo)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置于氣相傳輸設(shè)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，在金屬鋅層的表面制得氧化鋅納米線層。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(jìn)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(jī)械強(qiáng)度，形成了一個(gè)連續(xù)的氧化鋅納米線層220。由于 氧化鋅所特有的自摻雜效應(yīng)，因此該層可以作為N型半導(dǎo)體層。所述氧化鋅納 米線層220的厚度范圍是100nm至1000nm
同時(shí)，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，其作用在于提高后續(xù)生長的氧 化鋅納米線層210的結(jié)晶質(zhì)量。
附圖6所述，參考步驟S13，在氧化鋅納米線層220遠(yuǎn)離金屬鋅層210的 表面生長光吸收層230。
在本具體實(shí)施方式
中，采用磁控濺射方法在制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。采用磁控濺射方法，高純CdSe體材料 作為靶材，濺射的轟擊原子采用氬，濺射功率為150W，導(dǎo)電玻璃襯底加熱至 300°C。 CdSe薄膜生長后，利用原位退火技術(shù)進(jìn)行退火處理，退火溫度為450 °C，得到高質(zhì)量的CdSe薄膜。
附圖7所示，參考步驟S14，在光吸收層230遠(yuǎn)離氧化鋅納米線層220的 表面制作P型半導(dǎo)體層240。
在本具體實(shí)施方式
中，在高質(zhì)量的CdSe薄膜制備完成后，在磁控濺射設(shè) 備中直接生長高質(zhì)量的Cu20薄膜。在光吸收層230和P型半導(dǎo)體層240的生長 過程中均采用磁控濺射方法，因此可以利用同一臺(tái)設(shè)備，通過采用不同的靶材 進(jìn)行，而無需將襯底從設(shè)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(dǎo)體層240界面的質(zhì)量，因此是一 種較佳的技術(shù)方案。在采用磁控濺射生長0120的過程中，使用Cii20體材料作 為靶材，濺射的轟擊原子采用氧和氬的混合物質(zhì)，濺射功率為240W，導(dǎo)電玻璃 襯底加熱至40(TC。 Cu20薄膜生長后，利用原位退火技術(shù)進(jìn)行退火處理，退火 溫度為500°C ，得到高質(zhì)量的Cu20薄膜。
附圖8所示，參考步驟S15，在采用上述方法得到的多層結(jié)構(gòu)中制作電極 251和252。
得到所述氧化鋅納米線/CdSe/Cu20多層結(jié)構(gòu)之后，在多層結(jié)構(gòu)中制作金屬 電極。制作電極的詳細(xì)步驟與現(xiàn)有的制作太陽能電池電極的方法相同，此處不 加贅述。
測試表明，經(jīng)上述步驟實(shí)施完畢后制得的太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)化效率達(dá) 到8%以上。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些 改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)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于疊層中的電極，所述疊層包括位于透明襯底表面依次遠(yuǎn)離透明襯底的P型半導(dǎo)體層、光吸收層以及N型半導(dǎo)體層，其特征在于，所述N型半導(dǎo)體層中含有氧化鋅納米線材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋅基太陽能電池，其特征在于，所述光吸收 層為硒化鎘。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧化鋅基太陽能電池，其特征在于，所述P 型半導(dǎo)體層為氧化亞銅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋅基太陽能電池，其特征在于，所述N型半 導(dǎo)體層的厚度范圍是100nm至1000nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋅基太陽能電池，其特征在于，所述N型半 導(dǎo)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(quán)利要求1所述的氧化鋅基太陽能電池的制備方法，其特征在于， 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(yuǎn)離透明襯底的表面生長氧化鋅納米線層，作為N型半導(dǎo) 體層；(d) 在氧化鋅納米線層遠(yuǎn)離金屬鋅層的表面生長光吸收層；(e) 在光吸收層遠(yuǎn)離氧化鋅納米線層的表面制作P型半導(dǎo)體層；(f) 在采用上述方法得到的多層結(jié)構(gòu)中制作電極。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的氧化鋅基太陽能電池的制備方法，其特征在于， 所述步驟(c)進(jìn)一步包括如下步驟(cl)將帶有金屬鋅層的透明襯底置于石英管中； (c2)加熱帶有金屬鋅層的透明襯底；(c3)使混有含鋅物質(zhì)粉末的氧氣流過金屬鋅層遠(yuǎn)離透明襯底的表面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的氧化鋅基太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述含鋅物質(zhì)粉末選自于金屬鋅粉末及氧化鋅粉末中的一種或兩種。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的氧化鋅基太陽能電池的制備方法，其特征在于， 所述光吸收層為硒化鎘。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的氧化鋅基太陽能電池的制備方法，其特征在于， 進(jìn)一步包括如下步驟在生長光吸收層后，對(duì)光吸收層進(jìn)行退火處理。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6或9所述的氧化鋅基太陽能電池的制備方法，其特征 在于，所述P型半導(dǎo)體層為氧化亞銅。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的氧化鋅基太陽能電池的制備方法，其特征在于， 進(jìn)一步包括如下步驟在生長P型半導(dǎo)體層后，對(duì)P型半導(dǎo)體層進(jìn)行退火處理。
13. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的氧化鋅基太陽能電池的制備方法，其特征在于， 所述在透明襯底表面生長的金屬鋅層的厚度范圍是50nm至300ran。
14. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的氧化鋅基太陽能電池的制備方法，其特征在于， 所述氧化鋅納米線層的厚度范圍是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于疊層中的電極，所述疊層包括位于透明襯底表面依次遠(yuǎn)離透明襯底的P型半導(dǎo)體層、光吸收層以及N型半導(dǎo)體層，所述N型半導(dǎo)體層中含有氧化鋅納米線材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于所述太陽能電池的整體結(jié)構(gòu)簡單，并且制備工藝簡單易行；太陽能電池的N型半導(dǎo)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(zhuǎn)化效率；采用全固態(tài)結(jié)構(gòu)，能夠克服液態(tài)接太陽能電池由于存在液態(tài)電解液而帶來的諸多問題。
文檔編號(hào)H01L31/075GK101615640SQ20081003971
公開日2009年12月30日 申請日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者王相虎 申請人:上海電機(jī)學(xué)院