一种半导体薄膜太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种半导体薄膜太阳电池及其制备方法。所述半导体薄膜太阳电池中的吸收层是由前驱膜和其上的阻挡层形成的前驱膜叠层在高温退火处理后形成。本发明专利技术通过在前驱膜上引入超薄的阻挡层后经高温退火处理制备吸收层，能够控制吸收层中的元素在高温过程中流失，抑制杂相生成，此外，阻挡层的引入可拓宽耗尽区宽度，从而增强载流子的有效收集长度，调控异质结处载流子的传输行为，获得合适的能带工程，增强器件的光电转换效率。本发明专利技术制备工艺简单，有效地解决了目前吸收层面临的高温退火阶段的元素损失与结晶问题，还解决了现有半导体薄膜电池中严重的载流子复合问题，改善了载流子收集，为薄膜太阳电池的稳定性和产业化提供了一条路径。提供了一条路径。提供了一条路径。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体薄膜太阳电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及太阳电池领域，具体地说是一种半导体薄膜太阳电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来在国家“双碳”重大战略带动下，光伏产业快速发展，光伏的应用范围也越来越广。目前发展势头较好的第三代薄膜太阳电池由于其自身吸收系数高和元素储量丰富等优势而吸引了广泛关注。第三代薄膜的制备，如CuInSe2、Cu2ZnSnSe4等，需要必要的高温过程以促使晶粒长大。同时高温退火过程为薄膜中的各元素提供了一定的反应动力，这增加了在物相合成和薄膜生长过程中杂相的生成几率和不容忽视的元素流失，导致电池内部载流子复合严重，降低光生载流子的收集，进而恶化器件光电性能，阻碍半导体薄膜太阳电池的产业化进程。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种半导体薄膜太阳电池及其制备方法，以解决现有半导体薄膜太阳电池存在的严重杂相和载流子复合的问题。
[0004]本专利技术是这样实现的：
[0005]本专利技术提供的半导体薄膜太阳电池，其结构由下至上依次包括衬底、正电极、吸收层、缓冲层、窗口层和顶电极；所述吸收层是由前驱膜和其上的阻挡层形成的前驱膜叠层在高温退火处理后形成。所述吸收层可以控制元素流失以及提高载流子收集效率。
[0006]上述技术方案中，所述正电极可以但不限于为钼、钨电极，正电极的厚度为50～4000nm。
[0007]上述技术方案中，所述前驱膜可以为I2‑
II
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IV
‑
VI4族元素的组合，也可以是I
‑
III
‑
VI2族元素的组合。所述阻挡层可以为但不限于Al2O3、SiO2、Si3N4、TiO2。阻挡层为超薄阻挡层，其厚度为0.1～50nm。
[0008]上述技术方案中，所述缓冲层的材料可以是但不限于CdS、ZnS、(Cd,Zn)S、Zn(O,S)或In2S3。
[0009]上述技术方案中，所述窗口层的材料可以但不限于为本征氧化锌层(高阻层)和氧化铟锡层(低阻层)的叠层结构，其中本征氧化锌层靠近缓冲层，氧化铟锡层靠近顶电极。
[0010]上述技术方案中，所述顶电极可以但不限于为铝栅线、镍铝栅线或者银栅线结构。
[0011]作为上述技术方案的进一步改进，所述吸收层的厚度优选为50～3050nm。
[0012]作为上述技术方案的进一步改进，所述缓冲层的厚度为30～100nm。
[0013]作为上述技术方案的进一步改进，所述本征氧化锌层的厚度优选为30～150nm。
[0014]作为上述技术方案的进一步改进，所述氧化铟锡层的厚度优选为50～1500nm。
[0015]作为上述技术方案的进一步改进，所述顶电极的厚度优选为50～4000nm。
[0016]本专利技术所提供的半导体薄膜太阳电池通过在前驱膜上引入一层超薄的阻挡层(如图1所示阻挡单元)，不仅控制了元素的损失，还提高了载流子寿命，扩展了耗尽区宽度，从
而增强了载流子的有效收集长度，调控了异质结处载流子的传输行为。
[0017]本专利技术还提供了一种半导体薄膜太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
[0018]a、在衬底上制备正电极；
[0019]b、在正电极上制备前驱膜，在前驱膜上制备阻挡层，前驱膜和阻挡层构成前驱膜叠层；
[0020]c、对前驱膜叠层进行高温退火处理形成吸收层；
[0021]d、在吸收层上制备缓冲层；
[0022]e、在缓冲层上制备窗口层；
[0023]f、在窗口层上制备顶电极。
[0024]优选地，步骤b中，前驱膜可采用熔胶
‑
凝胶法、溶剂热或溅射法、气相沉积等制备；阻挡层可以采用原子层沉积技术、旋涂法、气相沉积法等制备，但不限于此。
[0025]优选地，步骤c中，退火过程可以但不限于在硒氛围、硫氛围或其组合氛围中进行；高温退火的温度为350～650℃。
[0026]优选地，步骤a中，在衬底上采用但不限于磁控溅射法制备正电极。衬底包括硬性和柔性衬底，可以为但不限于钠钙玻璃、石英玻璃或聚酰亚胺衬底等。
[0027]优选地，步骤d中，所述缓冲层可采用但不限于化学水浴法、溅射法、原子层沉积法或蒸发法制备。
[0028]优选地，步骤e中，窗口层可通过但不限于磁控溅射法制备，窗口层包括高阻层和低阻层。先在缓冲层上制备高阻层，再采用但不限于磁控溅射法制备低阻层。优选的，高阻层为本征氧化锌层，低阻层为氧化铟锡层。
[0029]优选地，步骤f中，顶电极可通过但不限于蒸发法或者电子束溅射制备。
[0030]上述半导体薄膜太阳电池的制备方法中所涉及的各层的材料以及厚度可参照上述对半导体薄膜太阳电池结构方案中的描述。
[0031]本专利技术通过在前驱膜上引入超薄的阻挡层后经高温退火处理制备吸收层，能够控制吸收层中的元素在高温过程中流失，抑制杂相生成，此外，阻挡层的引入可拓宽耗尽区宽度，从而增强载流子的有效收集长度，调控异质结处载流子的传输行为，获得合适的能带工程，增强器件的光电转换效率。该方法制备工艺简单，有效地解决了目前吸收层面临的高温退火阶段的元素损失与结晶问题，还解决了现有半导体薄膜电池中严重的载流子复合问题，改善了载流子收集，为薄膜太阳电池的稳定性和产业化提供了一条路径。
附图说明
[0032]图1是本专利技术实施例1中形成的控制元素损失增强载流子收集的吸收层结构示意图。
[0033]图2是本专利技术实施例2中控制元素损失增强载流子收集的半导体薄膜太阳电池的制备流程图。
[0034]图3是本专利技术实施例2中制备的半导体薄膜太阳电池的结构示意图。
[0035]图4是本专利技术实施例2和对比例2所制备的半导体薄膜太阳电池异质结处的载流子收集情况。
[0036]图5是本专利技术实施例2和对比例2所制备的半导体薄膜太阳电池的J
‑
V曲线图。
具体实施方式
[0037]本专利技术提出了一种半导体薄膜太阳电池及其制备方法，通过本专利技术的方法，可以控制元素损失以及增强光生载流子收集。
[0038]本专利技术所提供的半导体薄膜太阳电池的结构由下至上依次包括衬底、正电极、吸收层、缓冲层、窗口层和顶电极。
[0039]参考图3，在具体实施例中，衬底为玻璃，具体可以为钠钙玻璃、无钠玻璃、石英玻璃等。正电极为Mo金属电极，可以在衬底上利用磁控溅射法制备Mo金属电极。前驱膜和阻挡层经退火后形成了吸收层，前驱膜可以为I2‑
II
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IV
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VI4族元素的组合(例如Cu2ZnSnS4)，也可以是I
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III
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VI2族元素的组合(例如CuInSe2、CuInS2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)Se2、Cu(In,Ga)S2、Cu(In,Ga)(Se,S)2)；阻挡层可使用Al2O3、SiO2、Si3N4、Ti本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体薄膜太阳电池，其特征是，其结构由下至上依次包括衬底、正电极、吸收层、缓冲层、窗口层和顶电极；所述吸收层是由前驱膜和其上的阻挡层形成的前驱膜叠层在高温退火处理后形成。2.根据权利要求1所述的半导体薄膜太阳电池，其特征是，所述前驱膜为I2‑
II
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IV
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VI4族元素的组合或I
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III
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VI2族元素的组合；所述阻挡层为Al2O3、SiO2、Si3N4或TiO2；所述前驱膜厚度为50～3000nm，所述阻挡层厚度为0.1～50nm，所述吸收层厚度为50～3050nm。3.根据权利要求1所述的半导体薄膜太阳电池，其特征是，所述缓冲层材料为CdS、ZnS、(Cd,Zn)S、Zn(O,S)或In2S3；所述缓冲层厚度为30～100nm。4.根据权利要求1所述的半导体薄膜太阳电池，其特征是，所述窗口层为本征氧化锌层和氧化铟锡层的叠层结构；所述本征氧化锌层的厚度为30～150nm，所述氧化铟锡层的厚度为50～1500nm。5.根据权利要求1所述的半导体薄膜太阳电池，其特征是，所述正电极为钼或钨电极，所述顶电极为铝栅线、镍铝栅线或者银栅线结构；所述正电极的厚度为50～4000nm，所述顶电极的厚度为50～4000nm。6.一种半导体薄膜太阳电池的制备方法，其特征是，包括如下步骤：a、在衬底上制备正电极；b、在正电极上制备前驱膜，在前驱膜上制备阻挡层，前驱膜和阻挡层...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙亚利，赵亮，刘盼，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：