半导体材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了半导体材料及其制备方法和应用，其中，半导体材料的化学组成为：CuInxGayR1-x-ySe2，其中，0＜x<1，0＜y＜0.5，并且x+y＜1，R为选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Ru、Sc和Y中的至少一种。该半导体材料可以用于太阳能电池的吸收层。

【技术实现步骤摘要】
太阳能电池
本专利技术涉及太阳能电池领域，具体地，涉及太阳能电池。
技术介绍
太阳能作为一种取之不尽用之不竭的可再生能源，它具备清洁性、无限性及普遍性等特点，成为解决能源枯竭、环境污染和全球变暖等问题的有效途径，所以太阳能光伏发电的发展具有非常深远的意义。目前太阳能电池按照材料可分为硅基太阳能电池、化合物太阳能电池、有机物太阳能电池等。在众多类的太阳能电池中，CuInSe2(CIS)太阳能电池的禁带宽度为1.04eV，太阳电池光电转换理论效率在25％～30％左右，而且只需要1～2μm厚的薄膜就可以吸收99％以上的太阳光，从而可以大大降低太阳电池的成本，因此，它是一种具有良好发展前景的太阳电池。通过适量的Ga取代In，成为CuIn1-xGaxSe2多晶固溶体，其禁带宽度可在1.04～1.67eV范围内连续调整，可吸收更大范围波长的太阳光。人们对铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池的研究已诸多见报。近年来，为了提高其转换效率，科学家们不断在技术和制备工艺上对其改进：通过三步共蒸发法制备的CIGS薄膜表面光滑、晶粒尺寸大且紧凑，是目前制备高效率CIGS太阳能电池最有效的工艺；微量的钠元素在CIGS化合物中可以有效改善材料的结构性能和电学性能。2008年，美国国家可再生能源实验室制备出世界上最高光转换效率为20.8％的铜铟镓硒太阳能电池。然而，在对CIGS太阳能电池的研究进程中，也暴露了其自身缺点：由于Ga不具有透光性，在作为叠层太阳能电池时对下层电池无法提供好的光条件；此外，CIGS太阳能电池中，CdS对环境的污染也是制约其产业化的另一重要条件。CIGS太阳能电池的诸多缺点限制了其大规模产业化发展。因而，目前关于CIGS太阳能电池的研究仍有待深入。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种能够提高太阳能电池的透光性和转换效率的半导体材料。在本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种半导体材料。根据本专利技术的实施例，所述半导体材料的化学组成为：CuInxGayR1-x-ySe2，其中，0＜x<1，0＜y＜0.5，并且x+y＜1，R为选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Ru、Sc和Y中的至少一种。专利技术人发现，本专利技术的该半导体材料能够有效用于制备太阳能电池的吸收层，通过掺杂稀土元素R，可以在不影响太阳能电池转换效率的情况下，有效提高其透光性，在多结电池中为下层电池提供很好的光条件，用于光伏幕墙的太阳能电池可提供良好的室内光线。另外，稀土元素具有“上转换发光”的特点，使稀土掺杂的半导体材料吸收更大范围的太阳光后释放出可以被吸收层二次吸收的可见光，提高转换效率。根据本专利技术实施例的半导体材料还可以具有以下附加技术特征：根据本专利技术的实施例，R为选自Nd、Pm、Sm、Eu和Gd、Tb和Dy中的至少一种。由此，将该半导体材料用于太阳能电池的吸收层时，具有较好的透光性和转换效率。根据本专利技术的实施例，0.5＜x<1。由此，该半导体材料用作太阳能电池的吸收层，透光性较好，转换效率较高。根据本专利技术的实施例，x大于y。由此，该半导体材料用作太阳能电池的吸收层，有利于提高其透光性和转换效率。根据本专利技术的实施例，其化学组成为下列之一：CuIn0.6Ga0.3Sm0.1Se2；CuIn0.6Ga0.3Gd0.1Se2；CuIn0.7Ga0.2Nd0.1Se2；CuIn0.6Ga0.35Pm0.05Se2；CuIn0.6Ga0.35Eu0.05Se2；CuIn0.7Ga0.25Tb0.05Se2；以及CuIn0.56Ga0.42Dy0.02Se2。由此，该半导体材料用作太阳能电池的吸收层，透光性和转换效率较佳。在本专利技术的第二方面，本专利技术提供了一种制备前面所述半导体材料的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：(1)提供金属单质混合物，所述金属单质混合物含有预定比例的金属单质Cu、In、Ga、R和Se；以及(2)基于所述金属单质混合物，形成含有Cu、In、Ga、R和Se的五元复合材料，以便获得所述半导体材料。利用该方法，能够快速有效地制备获得前面所述的半导体材料，且操作简单，方便快捷，适合工业化生产。根据本专利技术实施例的制备前面所述半导体材料的方法还可以包括以下区别技术特征：根据本专利技术的实施例，在步骤(2)中，通过机械球磨法或共蒸发法制备所述含有Cu、In、Ga、R和Se的五元复合材料。由此，操作简单，生产效率较高，对设备没有特殊要求，易于实现工业化生产。根据本专利技术的实施例，所述金属单质Cu、In、Ga、R和Se的纯度均不低于99.99％。由此，制备获得的半导体材料具有较佳的光电性能。根据本专利技术的实施例，制备前面所述半导体材料的方法包括：(a)将Cu、In、Ga、R和Se单质的混合物进行球磨，以便获得所述金属单质混合物；(b)将所述金属单质混合物压制成型，以便获得成型材料；以及(c)将所述成型材料进行退火处理，以便获得所述五元复合材料。由此，能够快速有效地制备获得前面所述的半导体材料。根据本专利技术的实施例，在步骤(a)中，以100～700转/分钟的转速进行所述球磨5～15小时。由此，有利于提高制备获得的半导体材料的光电性能和制备半导体材料的效率。根据本专利技术的实施例，所述金属单质混合物的粒径不大于10微米。由此，有利于提高制备获得的半导体材料的光电性能和制备半导体材料的效率。根据本专利技术的实施例，在步骤(b)中，所述压制成型的压力不低于700兆帕。由此，能够保证成型材料密实。根据本专利技术的实施例，在步骤(b)中，将所述金属单质混合物压制成直径为10厘米的圆片。由此，有利于后续步骤的进行。根据本专利技术的实施例，在步骤(c)中，于氩气气氛下，进行所述退火处理。由此，能够避免金属原料被氧化。根据本专利技术的实施例，在步骤(c)中，所述退火处理的温度不高于800摄氏度，冷却方式为炉内自然冷却。由此，制备获得的半导体材料的光电性能较好，如果温度过高，制备获得的半导体材料的光电性能不理想。根据本专利技术的实施例，在步骤(c)中，所述退火处理的温度为400～450摄氏度，退火时间为4小时。由此，制备获得的半导体材料的光电性能较佳。在本专利技术的第三方面，本专利技术提供了前面所述的半导体材料在制备太阳能电池吸收层中的用途。专利技术人发现，本专利技术前面所述的半导体材料，能够有效用于制备太阳能电池吸收层，且通过掺杂稀土元素R，能够在不影响太阳能电池转换效率的情况下，有效提高其透光性，在多结电池中为下层电池提供很好的光条件，用于光伏幕墙的太阳能电池可提供良好的室内光线。另外，稀土元素具有“上转换发光”的特点，使稀土掺杂的半导体材料吸收更大范围的太阳光后释放出可以被吸收层二次吸收的可见光，提高转换效率。根据本专利技术的实施例，所述太阳能电池为薄膜太阳能电池。在本专利技术的第四方面，本专利技术提供了一种形成太阳能电池吸收层的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：采用前面所述的半导体材料作为靶材，通过磁控溅射、共蒸发或丝网印刷，在玻璃衬底或不锈钢衬底上形成所述吸收层。由此，能够快速方便的形成透光性良好、转换效率高的太阳能电池吸收层。在本专利技术的第五方面，本专利技术提供了一种太阳能电池。根据本专利技术的实施例，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体材料，其特征在于，其化学组成为：CuInxGayR1‑x‑ySe2，其中，0＜x<1，0＜y＜0.5，并且x+y＜1，R为选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Ru、Sc和Y中的至少一种，优选地，0.5＜x<1，R为选自Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb和Dy中的至少一种。

【技术特征摘要】
1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：光吸收层，所述光吸收层是由半导体材料形成的，以及过渡层，所述过渡层形成于所述光吸收层上，所述过渡层是由所述半导体材料形成的，针对所述光吸收层和过渡层，所采用的半导体材料的化学组成不同；其中，所述半导体材料的化学组成为：CuInxGayR1-x-ySe2，0.5＜x<1，0＜y＜0.5，并且x+y＜1，R为选自Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb和Dy中的至少一种，其中，所述CuInxGayR1-x-ySe2为下列之一：CuIn0.6Ga0.3Sm0.1Se2；CuIn0.6Ga0.3Gd0.1Se2；CuIn0.7Ga0.2Nd0.1Se2；CuIn0.6Ga0.35Pm0.05Se2；CuIn0.6Ga0.35Eu0.05Se2；CuIn0.7Ga0.25Tb0.05Se2；以及CuIn0.56Ga0.42Dy0.02Se2。2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述光吸收层的厚度为1～10微米。3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述光吸收层的厚度为3微米。4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池为薄膜太阳能电池。5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述半导体材料是通过以下方法制备的：(1)提供金属单质混合物，所述金属单...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑淑，黄福林，刘远宏，
申请(专利权)人：河北曹妃甸汉能光伏有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13