一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池及其制备方法。该太阳电池由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、窗口层、光活性层、背电极修饰层以及阳极层叠而成。其中阴极为ITO，阴极界面层为ZnO，窗口层为CdSe或CdSexTe1‑x合金薄膜，光活性层由多层CdSexTe1‑x与CdTe薄膜层叠构成，背电极修饰层为MoOx，阳极为Au。其中，光活性层采用CdSexTe1‑x合金纳米晶与CdTe纳米晶构成阶梯结构，相比于传统的异质结太阳电池，更有利于光生载流子的分离、传输和搜集，显著提高器件性能。本发明专利技术采用全溶液法加工，成本低，制作简便，有望实现大规模生产。

A highly efficient cadmium telluride nanocrystalline solar cell and its preparation method

The invention discloses a highly efficient cadmium telluride alloy nanocrystalline solar cell and a preparation method. The solar cell is made up of glass substrate, cathode, cathode interface layer, window layer, light active layer, back electrode modification layer and anode layer. The cathode is ITO, cathode interface layer is ZnO, CdSe or CdSexTe1 window layer of X alloy film, optically active layer is composed of CdSexTe1 X and CdTe multilayer thin film stack, the back electrode layer is MoOx, the anode is Au. The photoactive layer adopts CdSexTe1 x alloy nanocrystalline and nanocrystalline CdTe formed ladder structure. Compared to the traditional heterojunction solar cell, more conducive to the photoinduced charge separation and transmission and collection, significantly improve the performance of the device. The invention is processed by full solution method with low cost and simple production, and it is expected to realize large-scale production.

【技术实现步骤摘要】
一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池及其制备方法
本专利技术属于光电器件领域，具体涉及一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池及其制备方法。
技术介绍
能源与环境是当今人类面临的两大问题，随着全球能源使用量的增长及不科学使用，化石燃料等不可再生能源日益枯竭，并对环境产生严重影响。发展清洁能源，改善能源使用结构，成为急不可待的任务。太阳能光伏发电是新能源的重要组成部分，被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术。基于光生伏特效应的太阳电池一直是国内外科学研究的热点。相比于传统晶硅太阳电池，纳米晶太阳电池以其原材料消耗少、成本低、可溶液加工等优点，成为国内外科研工作者的新宠。2005年，Alivisatos等人(AlivisatosPA,GurI,MillironD.Nanocrystalsolarcellsprocessedfromsolution:US,US8440906[P].2013.)借鉴有机聚合物成膜的方法，首次开展了基于旋涂方法制备无机纳米晶太阳电池的研究，并取得2.9％的能量转换效率。在该体系中，以CdTe作为p型材料，CdSe为n型材料，构成异质结太阳电池，器件结构为ITO/CdTe/CdSe/Al。由于CdTe、CdSe的价带、导带不同，因此在其二者界面处会产生能级梯度，促进载流子分离。通过调控纳米晶的尺寸进而调节带隙，有望获得更优的器件性能，因此，溶液法加工纳米晶太阳电池受到广泛关注。2011年，Jasieniak等人(JasieniakJ,MacdonaldBI,WatkinsSE,etal.Solution-processedsinterednanocrystalsolarcellsvialayer-by-layerassembly[J].NanoLetters,2011,11(7):2856-64.)引入ZnO纳米晶作为受体材料，利用层层旋涂烧结加工法，制备出CdTe/ZnO纳米晶太阳能电池，能量转换效率达6.9％。ZnO经旋涂烧结形成致密平滑的界面层，保证了CdTe层铺展的平整均一，从而有效避免了CdTe层与ITO的直接接触造成较大的漏电流，提高了器件的性能。此外，因热处理过程中会出现较大的应力，破坏薄膜晶体的周期性，采用layer-by-layer方法可以通过降低每一层的膜厚而减小应力的破坏，且对于上一层产生的缺陷，下一层能够起到很好的补偿作用，从而总体上提高了晶体层的质量。2014年，TownsendTK等人(TownsendTK,FoosEE.Fullysolutionprocessedallinorganicnanocrystalsolarcells.[J].PhysicalChemistryChemicalPhysicsPccp,2014,16(31):16458-64.)成功制备了结构为ITO/CdSe/CdTe/Au倒置结构的全无机纳米晶太阳电池。虽然低功函数金属，如Al，可以跟n型层形成欧姆接触，但是容易被氧化，影响器件的寿命，因而通常的高效电池均采用倒置结构，以增强器件的稳定性。该结构器件的效率并不太理想，主要是CdSe直接沉积在ITO上，缺陷会较多，容易造成器件的短路，因而器件的开路电压和填充因子都比较低，影响了器件的能量转换效率。2014年，QinD等人(QinD,LiuH,TianY,etal.SolutionprocessedCdTe/CdSenanocrystalsolarcellswithmorethan5.5％efficiencybyusinganinverteddevicestructure[J].JournalofMaterialsChemistryC,2015,3(17):4227-4234.)引入ZnO作为阴极界面层，采用全溶液加工法制备ITO/ZnO/CdSe/CdTe/Au倒置结构太阳电池，器件效率高达5.81％。ZnO层的存在保证了CdSe的平整性，进一步提高器件对短波长光谱的响应。但由于CdSe与CdTe之间接触面存在界面态，缺陷的存在造成器件漏电流的产生，限制器件性能的提升。Yang等人(ZengQ,ChenZ,ZhaoY,etal.Aqueous-ProcessedInorganicThin-FilmSolarCellsBasedonCdSe(x)Te(1-x)Nanocrystals:TheImpactofCompositiononPhotovoltaicPerformance[J].AcsAppliedMaterials&Interfaces,2015,7(41):23223.)引入CdSexTe1-x作为光吸收层，其器件结构为ITO/TiO2/CdSexTe1-x/MoOx/Au，器件效率达3.35％。其效率低于4％主要是因为活性层界面态的存在，导致开路电压和短路电流偏低。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本文提供一种新的技术方案，其目的在于提供一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池及其制备方法。本专利技术通过以下技术方案实现。一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池，所述太阳电池从下至上依次由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、窗口层、光活性层、背电极修饰层以及阳极层叠而成。进一步的，所述阴极指掺氟二氧化锡透明导电膜(FTO)和氧化铟锡透明导电膜(ITO)中的至少一种，所述阴极厚度为80～200nm。优选使用ITO，所用的ITO透明导电膜表面电阻小于20ohm/sq，透光率大于85％，厚度约为130nm。进一步的，所述阴极界面层为ZnO薄膜，其厚度为20～100nm。进一步的，所述的窗口层为CdSe或CdSexTe1-x薄膜，厚度为20～100nm，其中0＜x＜1。进一步的，所述的光活性层由CdSexTe1-x合金薄膜与CdTe薄膜层叠构成，厚度为200～600nm，其中0＜x＜1。进一步的，所述的背电极修饰层为MoOx，其中x＝3，厚度为20～100nm。进一步的，所述的阳极为Au，厚度为80～200nm。以上所述一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池的制备方法，包括如下步骤：①将附着有氧化铟锡导电膜的玻璃衬底洗净、烘干；②采用sol-gel法制备ZnO薄膜，将所述的前驱体溶于有机溶剂中，经旋涂、刷涂、喷涂、丝网印刷或喷墨打印方式沉积在氧化铟锡导电膜上，经烧结形成得到阴极界面层；③以低成本、低毒性的十四酸镉作为Cd的前驱体。将Se和Te溶解于三辛基氧化膦中得到TOP-Se、TOP-Te分别作为Se和Te的前驱体，采用溶剂热法合成CdSe、CdTe纳米晶；并预先将TOP-Se、TOP-Te按不同比例混合，再加入十四酸镉作为Cd的前驱体，采用溶剂热法得到CdSexTe1-x合金纳米晶；将所述的CdSe、CdSexTe1-x、CdTe纳米晶分别溶于有机溶剂得到分散液，再将分散液经旋涂、刷涂、喷涂、丝网印刷或喷墨打印方式沉积在阴极界面层上，得到CdSe窗口层、CdSexTe1-x窗口层、CdSexTe1-x光活性层、CdTe光活性层；④采用蒸镀法在光活性层上依次蒸镀MoOx、Au，得到一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池。进一步的，步骤②所述的前驱体为二水醋酸锌，所述的有机溶剂为乙醇胺和乙二醇甲醚。进一步的，步骤②所述烧结的温度为200-40本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池，其特征在于，所述太阳电池由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、窗口层、光活性层、背电极修饰层以及阳极从下到上依次层叠而成。

【技术特征摘要】
1.一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池，其特征在于，所述太阳电池由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、窗口层、光活性层、背电极修饰层以及阳极从下到上依次层叠而成。2.根据权利要求1所述的一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池，其特征在于，所述的阴极为掺氟二氧化锡透明导电膜和氧化铟锡透明导电膜中的至少一种，厚度为80~200nm；所述的阴极界面层为ZnO薄膜，厚度为20~100nm。3.根据权利要求1所述的一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池，其特征在于，所述的窗口层为CdSe或CdSexTe1-x合金薄膜，厚度为20~100nm，其中0＜x＜1。4.根据权利要求1所述的一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池，其特征在于，所述的光活性层由CdSexTe1-x合金薄膜与CdTe薄膜层叠构成，厚度为200~600nm，其中0＜x＜1。5.根据权利要求1所述的一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池，其特征在于，所述的背电极修饰层为MoOx，其中x=3，厚度为20~100nm；所述的阳极为Au，厚度为80~200nm。6.制备权利要求1-5任一项所述的一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将附着有氧化铟锡导电膜的玻璃衬底洗净、烘干；（2）采用sol-gel法制备ZnO薄膜，将前驱体溶于有...

【专利技术属性】
技术研发人员：覃东欢，李妙姿，温诗雅，刘笑霖，梅相霖，吴镔，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44