專利名稱：一種摻雜稀土元素的光伏薄膜材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種摻雜稀土元素的光伏薄膜材料。
背景技術：
世界經(jīng)濟的現(xiàn)代化，得益于化石能源，如石油、天然氣與煤炭的廣泛的投入應用。因而它是建筑在化石能源基礎之上的一種經(jīng)濟。然而，由于這一經(jīng)濟的資源載體將在21世紀上半葉迅速地接近枯竭。因此開發(fā)和利用新的能源迫在眉睫。太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。1839年，光生伏特效應第一次由法國物理學家A.E.Becquerel發(fā)現(xiàn)。1883年第一塊太陽能電池由Charles.Fritts制備成功。Charles用鍺半導體上覆上一層極薄的金層形成半導體金屬結，器件只有1%的效率。1946年Russell.0hl申請了現(xiàn)代太陽能電池的制造專利。到了 1950年代，隨著半導體物性的逐漸了解，以及加工技術的進步，1954年當美國的貝爾實驗室在用半導體做實驗發(fā)現(xiàn)在硅中摻入一定量的雜質(zhì)后對光更加敏感這一現(xiàn)象后，第一個太陽能電池1954年在貝爾實驗室誕生。太陽能電池技術的時代終于到來。太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池還可分為:硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池、塑料太陽能電池等。第VI主族元素(X=0，S，Se, Te)與過渡族金屬(A=Cu，Zn, Cd)構成的化合物是良好的半導體材料，并已經(jīng)應用于光伏薄膜材料(如CdTe等)，同時為了提高光電轉換效率，摻入第III主族元素(Z=Al，Ga，In，Ta)，構成新型的光伏薄膜材料(如ZnA10[AZ0]，CuInGaSe2 [CIGS]，CuInSe2等)。目前市場上具有規(guī)模生產(chǎn)的太陽能電池平均效率約在15%左右的新型太陽能電池為CdTe和CIGS (copper indium gallium selenide)電池。因此該類材料具有廣闊的應用前景和巨大的商業(yè)潛在價值。然而，該類材料仍然需要提高光電轉化效率，降低制備材料的成本，例如CuInGaSe [CIGS]中的銦和鎵在地球儲備含量中非常稀少，如果進行大規(guī)模生產(chǎn)，勢必會顯著影響其生產(chǎn)結構、成本和價格以及整個產(chǎn)業(yè)鏈可持續(xù)發(fā)展的周期等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種摻雜稀土元素的光伏薄膜材料，還能，本發(fā)明制備的光伏薄膜材料具有磁學和半導體性質(zhì)，成本低，光電轉化率高，能夠持續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)，用于太陽能電池等眾多領域。本發(fā)明提供一種摻雜稀土元素的光伏薄膜材料，以稀土元素和光伏薄膜材料進行摻雜，獲得摻稀土元素的光伏薄膜材料，所述光伏材料為單晶硅、多晶硅、非晶硅、多元化合物、有機聚合物中的一種。在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下改進。進一步，向第六主族元素X與過渡族金屬A構成的化合物中摻雜稀土元素R，即得摻稀土元素的光伏薄膜材料。進一步，所述第六主族元素與過渡族金屬構成的氧化物與稀土氧化物混合，燒制形成陶瓷靶材，利用分子束外延或磁控濺射的方法生長摻稀土元素A-R-O單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。進一步，所述第六主族元素與過渡族金屬構成的硫化物粉末與稀土硫化物粉末混合，燒制形成陶瓷靶材，利用分子束外延或磁控濺射的方法生長摻稀土元素A-R-S單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。進一步，所述第六主族元素與過渡族金屬構成的硒化物高純靶材與稀土金屬靶材利用分子束外延或磁控濺射共濺射的方法生長摻稀土元素A-R-Se單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。進一步，所述第六主族元素與過渡族金屬構成的銻化物高純靶材與稀土金屬靶材利用分子束外延或磁控濺射共濺射的方法生長摻稀土元素A-R-Te單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。進一步，所述第六主族元素與過渡族金屬構成的銻化物高純靶材、高純Ga靶材以及稀土金屬靶材利用分子束外延或磁控濺射共濺射的方法生長摻稀土元素A-R-Ga-Te單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料，進一步，所述第六主族元素與過渡族金屬構成的硒化物高純靶材、高純Ga靶材以及稀土金屬靶材利用分子束外延或磁控濺射共濺射的方法生長摻稀土元素A-R-Ga-Se單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。進一步，所述稀土元素單質(zhì)和多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，高溫燒制，得到摻雜稀土元素的單晶硅光伏薄膜材料。進一步，所述稀土兀素R 為 Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、
Yb或Lu,過渡族金屬A為Cu、Zn或Cd,第六主族元素X為O、S、Se或Te。進一步，所述的光伏薄膜材料能作為太陽能電池的光伏薄膜材料。將某一稀土元素單質(zhì)R和多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)；加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后，長晶爐必須關閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi)，然后打開石墨加熱器電源，加熱至熔化溫度(1420°C)以上，將多晶硅原料熔化；當硅熔體的溫度穩(wěn)定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。由于籽晶與硅熔體場接觸時的熱應力，會使籽晶產(chǎn)生位錯，這些位錯必須利用縮頸生長使之消失掉?？s頸生長是將籽晶快速向上提升，使長出的籽晶的直徑縮小到一定大小(4 6_)由于位錯線與生長軸成一個交角，只要縮頸夠長，位錯便能長出晶體表面，產(chǎn)生零位錯的晶體；長完細頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小，長完細頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調(diào)整，可使晶棒直徑維持在正負2_之間，這段直徑固定的部分即稱為等徑部分。單晶硅片取自于等徑部分，晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點而與液面分開。這一過程稱之為尾部生長。長完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時間后取出，這樣便得到摻稀土元素的單晶硅光伏薄膜材料。所述單晶硅中，稀土的參雜成分必須控制在0.1%之內(nèi)，在保證單晶硅太陽能電池的純度后，加入稀土雜質(zhì)來調(diào)節(jié)單晶硅電池的光譜調(diào)制性能，從而促使轉換效率的提高。所述化合物中硫化物，如ZnO進行如下方案進行，利用高純度為99.99%的ZnO粉末和高純度為99.99%的R2O3粉末以一定質(zhì)量分數(shù)配比進行混合(ZnO與R2O3的質(zhì)量分數(shù)比為98%:2%至99.5%:0.5%)，然后放入攪拌器中攪拌至均勻，然后放入高溫爐中進行燒制成靶，然后利用分子束外延或磁控濺射的方法生長摻稀土元素Zn-R-O單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。所述化合物中硫化物，如ZnS進行如下方案進行稀土元素摻雜，利用高純度為99.99%的ZnS粉末和高純度為99.99%的R2S3粉末以一定質(zhì)量分數(shù)配比進行混合(ZnS與R2S3的質(zhì)量分數(shù)比為98%:2%至99.5%:0.5%)，然后放入攪拌器中攪拌至均勻，然后放入高溫爐中進行燒制成靶，然后利用分子束外延或磁控濺射的方法生長摻稀土元素的Zn-R-S單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。所述化合物中銻化物，如CdTe進行如下方案進行稀土元素摻雜，運用靶材為7N的高純圓柱形CdTe單晶靶，以及靶材為4N的高純圓柱形R稀土金屬靶，利用共濺射的方式，制備摻稀土元素的Cd-R-Te單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。所述化合物中硒化物，如CuSe進行如下方案進行稀土元素摻雜，運用靶材為4N的高純圓柱形CuSe單晶靶，以及靶材為4N的高純圓柱形R稀土金屬靶，利用共濺射的方式，制備摻稀土元素的Cu-R-Se單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。所述化合物中硒化物，如CuGaSe進行如下方案進行稀土元素摻雜，運用靶材為4N的高純圓柱形CuSe單晶祀,祀材為4N的高純圓柱形Ga祀材，以及祀材為4N的高純圓柱形R稀土金屬靶，利用共濺射的方式，制備摻稀土元素的Cu-R-Se單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明制備的光伏薄膜材料具有磁學和半導體性質(zhì)，成本低，能夠持續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)，用于太陽能電池等眾多領域，本發(fā)明光電轉化率可以達到大規(guī)模商用化的光電轉化率標準。


圖1為本發(fā)明六方晶體示意圖；圖2為本發(fā)明立方晶體示意圖；圖3為稀土元素摻雜沉積示意圖(黑色圓圈表示稀土元素原子)具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。實施例1由II B族元素Zn和VI A族元素O化合而成的半導體材料，室溫下禁帶寬度為
3.2eV，屬直接躍遷型能帶結構；如圖1，ZnO晶體具有六方晶體結構，利用高純度為99.99%的 ZnO 粉末和高純度為 99.99% 的 R2O3 粉末(R=Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu)以摩爾數(shù)比列為2:1配比進行混合，然后放入攪拌器中攪拌至均勻，然后放入高溫爐中進行燒制成靶，以ZnO與La2O3為具體，取2mol的高出度為99.99%Zn0粉末和Imol的高出度為99.99%La203混合，然后放入攪拌器中攪拌至均勻，然后放入高溫爐中進行燒制成靶，如圖3所示，然后利用分子束外延或磁控濺射的方法生長摻稀土元素Zn-La-O(ZnLaO2)單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料,稀土元素R(R=Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu)將占據(jù)某些Zn原子空位，從而增加光伏薄膜的光電轉換效率，由于摻雜的稀土元素對太陽光有效光譜區(qū)(400nm至IlOOnm)吸收敏感，測得光電轉換效率比未摻雜稀土明顯提高。實施例2在室溫的玻璃或硅片上沉積Cd-R-Te (CdYa Je、CdSctl.Je、CdLatl.Je、CdCea Je、CdPr0 CdNdci」Te、CdPmci」Te、CdSmci」Te、CdEuci」Te、CdGdci」Te、CdTbci」Te、CdDyci」Te、CdHo0.Je, CdEr0.Je, CdTmaiTe、CdYb0.Je, CdLu0.Je)單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料，如圖3所示，運用靶材為7N的高純圓柱形CdTe單晶靶，以及靶材為4N的高純圓柱形R(R=Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 或 Lu)稀土金屬祀,利用共派射的方式進行沉積，由于摻雜的稀土元素對太陽光有效光譜區(qū)(400nm至IlOOnm)吸收敏感，測得光電轉換效率比未摻雜稀土顯著提高。實施例3在350°C 400°C 的玻璃或硅片上沉積 Cd-R-Te (CdY0.Je, CdSc0.Je, CdLa0.Je,CdCeci」Te、CdPrci」Te、CdNd。」Te、CdPmci」Te、CdSmci」Te、CdEu。」Te、CdGd?！筎e、CdTbci」Te、CdDy0.Je, CdHo0.Je, CdEraiTe、CdTmaiTe、CdYb0.Je, CdLu0.Je)單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料，如圖3所示，運用靶材為7N的高純圓柱形CdTe單晶靶，以及靶材為4N的高純圓柱形 R(R=Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 或 Lu)稀土金屬祀,利用共濺射的方式進行沉積，由于摻雜的稀土元素對太陽光有效光譜區(qū)(400nm至IlOOnm)吸收敏感，測得光電轉換效率比未摻雜稀土明顯提高。實施例4在室溫的玻璃或硅片上沉積Cu-R-Se (CuYSe, CuScSe, CuLaSe, CuCeSe, CuPrSe,CuNdSe、CuPmSe、CuSmSe、CuEuSe、CuGdSe、CuTbSe、CuDySe、CuHoSe、CuErSe、CuTmSe、CuYbSe、CuLuSe)單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料，如圖3所示，運用靶材為4N的高純圓柱形CuSe單晶祀，以及祀材為 4N 的高純圓柱形 R(R=Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er,Tm, Yb或Lu)稀土金屬靶，利用共濺射的方式進行沉積。如圖2所示，CuSe單晶是立方晶體；當摻入稀土元素后，稀土元素將占據(jù)Cu原子的空位，從而增加光伏薄膜的光電轉換效率，同時降低了摻銦，鎵等其它元素的制備成本，由于摻雜的稀土元素對太陽光有效光譜區(qū)(400nm至IlOOnm)吸收敏感，測得光電轉換效率比未摻雜稀土顯著提高。實施例5在350°C 400°C 的玻璃或硅片上沉積 Cu-R-Se (CuYSe、CuScSe、CuLaSe、CuCeSe、CuPrSe、CuNdSe、CuPmSe、CuSmSe、CuEuSe、CuGdSe、CuTbSe、CuDySe、CuHoSe、CuErSe、CuTmSe、CuYbSe, CuLuSe)單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料，如圖3所示，運用靶材為4N的高純圓柱形CuSe單晶靶，以及靶材為4N的高純圓柱形R(R=Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu)稀土金屬祀,利用共派射的方式進行沉積。如圖2所示，CuSe單晶是立方晶體；當摻入稀土元素后，稀土元素將占據(jù)Cu原子的空位，從而增加光伏薄膜的光電轉換效率，同時降低了摻銦、鎵等其它元素的制備成本，由于摻雜的稀土元素對太陽光有效光譜區(qū)(400nm至IlOOnm)吸收敏感，測得光電轉換效率達未摻雜稀土明顯提高。以上所述實施例是用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，并能夠降低生產(chǎn)成本。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種摻稀土元素的光伏薄膜材料，其特征在于，以稀土元素和光伏薄膜材料進行摻雜，獲得摻稀土元素的光伏薄膜材料，所述光伏材料為單晶硅、多晶硅、非晶硅、多元化合物、有機聚合物中的一種。
2.根據(jù)權利要求1所述的光伏薄膜材料，其特征在于，向第六主族元素X與過渡族金屬A構成的化合物中摻雜稀土元素R，即得摻稀土元素的光伏薄膜材料。
3.根據(jù)權利要求2所述的光伏薄膜材料，其特征在于，所述第六主族元素與過渡族金屬構成的氧化物與稀土氧化物混合，燒制形成陶瓷靶材，利用分子束外延或磁控濺射的方法生長摻稀土元素A-R-O單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。
4.根據(jù)權利要求2所述的光伏薄膜材料，其特征在于，所述第六主族元素與過渡族金屬構成的硫化物粉末與稀土硫化物粉末混合，燒制形成陶瓷靶材，利用分子束外延或磁控濺射的方法生長摻稀土元素A-R-S單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。
5.根據(jù)權利要求2所述的光伏薄膜材料，其特征在于，所述第六主族元素與過渡族金屬構成的硒化物高純靶材與稀土金屬靶材利用分子束外延或磁控濺射共濺射的方法生長摻稀土元素A-R-Se單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。
6.根據(jù)權利要求2所述的光伏薄膜材料，其特征在于，所述第六主族元素與過渡族金屬構成的銻化物高純靶材與稀土金屬靶材利用分子束外延或磁控濺射共濺射的方法生長摻稀土元素A-R-Te單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。
7.根據(jù)權利要求2所述的光伏薄膜材料，其特征在于，所述第六主族元素與過渡族金屬構成的銻化物高純靶材、高純Ga靶材以及稀土金屬靶材利用分子束外延或磁控濺射共濺射的方法生長摻稀土元素A-R-Ga-Te單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料， 所述第六主族元素與過渡族金屬構成的硒化物高純靶材、高純Ga靶材以及稀土金屬靶材利用分子束外延或磁控濺射共濺射的方法生長摻稀土元素A-R-Ga-Se單晶、多晶或非晶的光伏薄膜材料。
8.根據(jù)權利要求1所述的光伏薄膜材料，其特征在于，所述稀土元素單質(zhì)和多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，高溫燒制，得到摻雜稀土元素的單晶硅光伏薄膜材料。
9.根據(jù)權利要求1 8任一所述的光伏薄膜材料，其特征在于，所述稀土元素R為Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 或 Lu,過渡族金屬 A 為 Cu、Zn 或 Cd,第六主族元素X為O、S、Se或Te。
10.根據(jù)權利要求9所述的光伏薄膜材料能作為太陽能電池的光伏薄膜材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種摻稀土元素的光伏薄膜材料，以稀土元素和光伏薄膜材料進行摻雜，獲得摻稀土元素的光伏薄膜材料，所述光伏材料為單晶硅、多晶硅、非晶硅、多元化合物、有機聚合物中的一種，本發(fā)明制備的光伏薄膜材料具有磁學和半導體性質(zhì)，成本低，光電轉化率高，可以用于太陽能電池等眾多領域。
文檔編號H01L31/0296GK103137720SQ20131004795
公開日2013年6月5日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權日2013年2月6日
發(fā)明者劉盼, 周文平, 班士良 申請人:內(nèi)蒙古大學