基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池，尤其是涉及一種基于石墨烯的柔性 碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 在當(dāng)今追求節(jié)能、環(huán)保的潮流中，清潔、可再生能源的開發(fā)和利用顯得尤為重要。 其中，取之不盡、用之不竭的太陽(yáng)能受到了人們極大的關(guān)注。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的太陽(yáng)能 電池一般分為硅類太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池、化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池等，其中碲化鎘 薄膜太陽(yáng)能電池，作為最有發(fā)展前景的太陽(yáng)能電池之一，具有高效率，制作工藝簡(jiǎn)單，且可 大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池一般由玻璃襯底，透明電極層，高阻層，硫化鎘 窗口層，碲化鎘吸收層以及背接觸層和背電極層這七層結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)制作工藝順序，碲化 鎘薄膜太陽(yáng)能電池可分為由上到下配置和由下到上配置，一般由上到下配置的太陽(yáng)能電池 的光轉(zhuǎn)換效率比由下到上配置的光轉(zhuǎn)換效率高。在由上到下配置的太陽(yáng)能電池中，碲化鎘 薄膜太陽(yáng)能電池在覆有透明導(dǎo)電層的玻璃襯底上制備。因?yàn)椴Ａбr底都是硬質(zhì)的，不能曲 折，而在由下到上配置的碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池中，沉積碲化鎘薄膜的基底可以選擇金屬 箔或者其他柔性襯底，從而使柔性電池成為可能。
[0004] 另外，傳統(tǒng)的透明導(dǎo)電層有氧化銦錫、摻氟氧化錫和摻鋁氧化鋅，均具有很高的透 光性（T>90%)，低的方塊電阻（30 Ω/sq左右)等透明導(dǎo)電氧化物。但這些透明導(dǎo)電薄膜的 缺點(diǎn)是脆性易碎且折射率高。另外，這些透明導(dǎo)電氧化物一般涉及到一些資源有限、價(jià)格高 昂的金屬，比如銦、錫等，進(jìn)而提高了碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的制作成本。
[0005] 同時(shí)碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的背接觸層也是限制它發(fā)展的一大因素。由于碲化鎘 薄膜的功函數(shù)5. 5eV，為了避免形成肖特基勢(shì)皇，要求和碲化鎘接觸的背接觸層的功函數(shù) 大于5. 5eV，但事實(shí)上滿足這條件的材料稀少且價(jià)格昂貴。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型目的是：提供一種基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池，不僅制 備方法簡(jiǎn)單，而且能夠有效提高柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的彎曲角度和彎折重復(fù)性。
[0007] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：一種基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池，包括 自下而上依次設(shè)置的鉬箔背電極層、P型石墨烯背接觸層、P型碲化鎘薄膜吸收層、η型硫化 鎘薄膜窗口層、本征氧化鋅薄膜高阻層、η型石墨烯導(dǎo)電層和透明高分子材料防護(hù)層。
[0008] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述ρ型石墨烯背接觸層為單層或多層ρ型摻雜石墨烯薄 膜，其摻雜元素選自硼、鉑、金、銅或銀；
[0009] 所述η型石墨烯導(dǎo)電層為單層或多層η型摻雜石墨烯薄膜，其摻雜元素選自氮、 磷、氧或氯。
[0010] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述透明高分子材料防護(hù)層選自PI、PET、PVC、LDPE或PC透 明高分子薄膜。
[0011] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述鉬箔背電極層的厚度為IOOnm~400nm;
[0012] 所述p型石墨稀背接觸層的厚度為0· 35nm~5nm;
[0013] 所述p型碲化鎘薄膜吸收層的厚度為5um~15um;
[0014] 所述η型硫化鎘薄膜窗口層的厚度為IOOnm~300nm;
[0015] 所述本征氧化鋅薄膜高阻層的厚度為50nm~250nm;
[0016] 所述η型石墨稀導(dǎo)電層的厚度為0· 35nm~lnm;
[0017] 所述透明高分子材料防護(hù)層的厚度為200um~2mm。
[0018] 上述基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法，包括以下步驟：
[0019] 1)將鉬箔超聲波清洗后放于石英舟上并置于管式爐中央，在氫氣和氬氣保護(hù)下加 熱到800~1100°C后退火30~60mins，然后同時(shí)通入碳源和待摻雜元素進(jìn)行p型摻雜石 墨烯薄膜沉積，沉積時(shí)間為30~200mins，冷卻后得到p型石墨烯背接觸層；
[0020] 2)采用近空間升華法在步驟1)所得到的P型石墨烯背接觸層上制備P型碲化鎘 薄膜吸收層；
[0021] 3)采用真空蒸發(fā)沉積法在步驟2)所得到的p型碲化鎘薄膜吸收層上制備η型硫 化鎘薄膜窗口層；
[0022] 4)采用磁控濺射法在步驟3)所得到的η型硫化鎘薄膜窗口層上制備本征氧化鋅 薄膜高阻層；
[0023] 5)將銅箔超聲波清洗后放于石英舟上并置于管式爐中央，在氫氣和氬氣保護(hù)下加 溫達(dá)到900~1100°C后退火50~60mins，然后通入碳源進(jìn)行石墨烯沉積，沉積時(shí)間為30~ 60mins，冷卻后得到在銅箔上生長(zhǎng)的石墨稀薄膜，再在石墨稀薄膜上涂抹聚甲基丙稀酸甲 酯，之后放入三氯化鐵中腐蝕銅箔，再放入丙酮去除聚甲基丙烯酸甲酯，得到石墨烯薄膜， 最后對(duì)該石墨烯薄膜進(jìn)行η型摻雜后轉(zhuǎn)移到步驟4)所得到的本征氧化鋅薄膜高阻層上，得 到η型石墨烯導(dǎo)電層；
[0024] 6)將透明高分子材料懸涂在步驟5)所得到的η型石墨烯導(dǎo)電層上作為透明高分 子材料防護(hù)層，固化后得到基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池。
[0025] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟2)中制備ρ型碲化鎘薄膜吸收層后，進(jìn)行退火處理，其 具體步驟如下：在P型碲化鎘薄膜吸收層上沉積氯化鎘薄膜，在氬氣或氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下退火， 溫度為350~450°C，時(shí)間為20~40mins。
[0026] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟1)中所述的鉬箔依次采用異丙醇、丙酮、四氯化碳、去 離子水進(jìn)行超聲波清洗；
[0027] 步驟5)中所述的銅箔依次采用異丙醇、丙酮、三氯化鐵、鹽酸水溶液、去離子水進(jìn) 行超聲波清洗。
[0028] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟2)中所述近空間升華法的具體步驟為：將步驟1)得到 的覆有P型石墨烯背接觸層的鉬箔作為基底，并置于近空間升華設(shè)備的上石墨塊上，在近 空間升華設(shè)備的下石墨塊上放置與所述基底相近面積的碲化鎘源，然后將反應(yīng)室抽真空至 1~IOPa后通入氬氣，通過(guò)鹵鎢燈加熱上、下石墨塊，其中上石墨塊溫度達(dá)到400~550°C， 下石墨塊溫度達(dá)到550~650°C，并保溫10~40mins。
[0029] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟3)中真空蒸發(fā)沉積法的具體步驟為：將步驟2)得 到的依次覆有P型石墨烯背接觸層、P型碲化鎘薄膜吸收層的鉬箔作為基底，采用真空蒸 發(fā)沉積設(shè)備，以純度大于99. 995%的硫化鎘粉末作為硫化鎘源，其中反應(yīng)室氣壓為（1~ 10) XKT4Pa,硫化鎘源溫度為550~670°C，基底溫度為50~KKTC，反應(yīng)時(shí)間10~ 30mins〇
[0030] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟4)中磁控濺射法的具體步驟為：將步驟3)得到的依次 覆有P型石墨烯背接觸層、P型碲化鎘薄膜吸收層、η型硫化鎘薄膜窗口層的鉬箔作為基底， 通入氬氣和氧氣，磁控濺射溫度為350~500°C并以純鋅為靶。
[0031] 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是：
[0032] 1.本實(shí)用新型采用石墨烯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的透明導(dǎo)電氧化物材料和背接觸層材料，解決 了傳統(tǒng)材料的易脆裂性且折射率高的問(wèn)題，有效提高太陽(yáng)能電池彎曲角度和彎折重復(fù)性， 擴(kuò)大其利用范圍，同時(shí)由于碳源的儲(chǔ)備充分，避免了儲(chǔ)量稀少且價(jià)格昂貴的銻、碲、銦、錫、 金等材料的使用，大大降低了生產(chǎn)成本；
[0033] 2.本實(shí)用新型利用石墨烯的高透光率、高導(dǎo)電率、低成本的優(yōu)點(diǎn)替代傳統(tǒng)成本較 高的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，從而降低了碲化鎘太陽(yáng)能電池的成產(chǎn)成本，并提高了太陽(yáng)能電 池的光透過(guò)率，以及外量子效率；
[0034] 3.本實(shí)用新型直接在鉬箔上制備得到p型石墨烯背接觸層，減少了石墨烯薄膜的 轉(zhuǎn)移這個(gè)步驟，同時(shí)也避免了聚甲基丙烯酸甲酯等殘留所引入的雜質(zhì)。
【附圖說(shuō)明】
[0035] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述：
[0036] 圖1為本實(shí)用新型基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖；