一种三方晶系硒薄膜结晶方法及硒基太阳电池技术

本发明专利技术公开了一种三方晶系硒薄膜结晶方法及硒基太阳电池。所述方法包括如下步骤：Se吸收层沉积完成后，将材料在含氧、无水以及光照条件下进行热退火处理，获得三方晶系硒薄膜；其中，所述光照环境，其光谱为300～800nm的光谱区间，光照强度为100～1000W/m2，光照时间为15～110分钟；所述热退火过程，升温时间为10～90分钟，热退火温度为160～210℃，热退火温度保持时间为5～20分钟，热退火完成后自然冷却降至室温。本发明专利技术通过调控硒薄膜热退火的环境来控制硒薄膜的结晶过程，改善薄膜的光电特性，以获得物相单一、光电特性优异的三方晶系硒薄膜，进而提高硒基太阳电池器件性能。进而提高硒基太阳电池器件性能。进而提高硒基太阳电池器件性能。

【技术实现步骤摘要】
一种三方晶系硒薄膜结晶方法及硒基太阳电池


[0001]本专利技术属于光伏发电材料与器件领域，具体涉及一种三方晶系硒薄膜结晶方法及硒基太阳电池。

技术介绍

[0002]硒(Se)作为最早研究的光伏材料，尤其是三方晶系结构的硒的光电特性优异，具有组分简单，结晶温度低，资源丰富，便宜无毒等特点，在光电探测器和太阳电池领域具有重要应用，是一种极具发展潜力的光电、光伏半导体材料。
[0003]硒的物相结构十分复杂，它们通常分为晶态和非晶态，其中用于制备太阳电池的晶态，又包括α
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单斜晶、β
‑
单斜晶、三方晶系以及六边形晶系，不同的制备工艺及结晶技术对硒薄膜的物相结构、晶格取向、光电特性具有重大影响。由于传统的三方晶系结构的硒薄膜制备及结晶工艺受到硒结晶温度低、物相结构复杂等现实因素的局限，难以获得物相单一、晶粒均匀致密、光电特性优异的三方晶系硒薄膜。硒的结晶工艺对特定物相和薄膜结晶质量具有关键影响，如何突破传统三方晶系结构硒薄膜结晶工艺的限制成为获得物相单一、晶粒均匀致密、光电特性优异的三方晶系硒薄膜，以提升硒基太阳电池器件性能的重点研究方向。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术提供了一种三方晶系硒薄膜结晶方法，通过调控硒薄膜热退火的环境来控制硒薄膜的结晶过程，改善薄膜的光电特性，以获得物相单一、光电特性优异的三方晶系硒薄膜，进而提高硒基太阳电池器件性能。
[0005]本专利技术还提供了一种硒基太阳电池。
[0006]本专利技术目的通过以下技术方案实现：
[0007]一种三方晶系硒薄膜结晶方法，包括：Se吸收层沉积完成后，将材料在含氧、无水以及光照条件下进行热退火处理，获得三方晶系硒薄膜；所述光照环境，其光谱为300～800nm的光谱区间，光照强度为100～1000W/m2，光照时间为15～110分钟；所述热退火过程是指升温到热退火温度保持时间5～20分钟，升温时间为10～90分钟，热退火温度为160～210℃，热退火完成后自然冷却降至室温。
[0008]本专利技术提出一种在含氧、无水、光照环境下对硒薄膜进行热退火的薄膜结晶方法，通过控制氧气的含量、创造无水条件以及控制光照的强度来调控硒薄膜的结晶过程，改善硒薄膜的结晶性和致密性，获得物相单一的三方晶系硒薄膜，并有效提高了空穴浓度，改善了电学性质。通过对硒薄膜热退火环境的控制来调控硒薄膜的结晶过程，以获得高质量的硒薄膜，进而提高硒基太阳电池器件性能。
[0009]所述含氧环境，包括单独氧气环境，或者氧气和惰性气体(氦气或氩气等)的混合气体；单独氧气环境氧气压强为0.1～20kPa；氧气和惰性气体混合气体环境的氧分压为0.1～20kPa，混合气体总压强为1～101kPa。
[0010]所述无水环境，是指湿度小于1％的干燥气体环境。
[0011]所述热处理退火过程中升温时间是指从室温升温至所需热退火温度的时间；热退火温度保持时间是指升温至热退火温度并保持该温度的时间；光照时间是指热退火过程中从开始升温至开始降温的时间，即升温时间加热退火温度保持时间。
[0012]优选的，光照强度为500W/m2，光照时间为40～60分钟；所述热退火过程，升温时间为20～50分钟，热退火温度为180～190℃，热退火温度保持时间为10～20分钟，热退火完成后自然冷却降至室温。
[0013]本专利技术提供的硒基太阳电池结构为：玻璃/透明导电层/种子层/p型吸收层/p型空穴传输层/背电极，玻璃/透明导电层/种子层/p型吸收层/背电极，玻璃/透明导电层/n型电子传输层/种子层/p型吸收层/背电极，或者是玻璃/透明导电层/n型电子传输层/种子层/p型吸收层/p型空穴传输层/背电极；其中所述的p型吸收层沉积完成后，将材料在含氧、无水以及光照条件下进行热退火处理。
[0014]所述透明导电层为透明导电氧化物层，包括FTO(SnO2:F)，ITO(SnO2:In)或AZO(ZnO:Al)；厚度为100～400nm。
[0015]所述n型电子传输层为n型半导体薄膜，包括TiO2(二氧化钛)、SnO2(二氧化锡)、ZnO(氧化锌)、MgZnO(氧锌镁)或CdS(硫化镉)；其制备方法有溶液旋涂法、磁控溅射法、热蒸发法、电化学沉积法、化学水浴法或气相运输法等，厚度为20～200nm。
[0016]所述n型电子传输层也可以不包含在器件结构中。
[0017]所述种子层为Te种子层或Se种子层，其制备方法有热蒸发法、磁控溅射法、气相运输法或化学气相沉积法等，厚度为0.2～20nm。
[0018]所述p型吸收层为硒薄膜，其制备方法是热蒸发法或热升华法，厚度为500～5000nm。
[0019]所述p型吸收层沉积温度为室温，沉积完成后在含氧、无水和光照条件下进行热退火处理。
[0020]所述含氧环境，包括单独氧气环境，或者氧气和惰性气体(氦气或氩气等)的混合气体；单独氧气环境氧气压强为0.1～20kPa；氧气和惰性气体混合气体环境的氧分压为0.1～20kPa，混合气体总压强为1～101kPa。
[0021]所述无水环境，是指湿度小于1％的干燥气体环境。
[0022]所述光照环境，其光谱为300～800nm的光谱区间，光照强度为100～1000W/m2，光照时间为15～110分钟。
[0023]所述热退火过程，升温时间为10～90分钟，热退火温度为160～210℃，热退火温度保持时间为5～20分钟，热退火完成后自然冷却降至室温。
[0024]所述热处理退火过程中升温时间是指从室温升温至所需热退火温度的时间；热退火温度保持时间是指升温至热退火温度并保持该温度的时间；光照时间是指热退火过程中从开始升温至开始降温的时间，即升温时间加热退火温度保持时间。
[0025]所述p型空穴传输层，包括MoO3(三氧化钼)、ZnTe(碲化锌)、NiO(氧化镍)、WO3(三氧化钨)、V2O5(五氧化二钒)、PTAA(双(4
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苯基)(2,4,6
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三甲基苯基)胺)、Spiro
‑
MeOTAD(四[N,N
‑
二(4
‑
甲氧基苯基)氨基]螺二芴)或PEDOT:PSS(聚3,4
‑
乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐)等；其制备方法有热蒸发法、磁控溅射法、溶液旋涂法或化学气相沉积法，厚度为2～100nm。
[0026]所述p型空穴传输层也可以不包括在器件结构中。
[0027]所述背电极为高功函数的材料，包括C(碳)、Au(金)、Ni(镍)、Ag(银)、Mo(钼)及其复合叠层电极中的一种；其制备方法有热蒸发法、溅射法或浆料涂覆固化法等，厚度为50～500nm。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点及有益效果：
[0029]本专利技术提出的一种在含氧、无水及光照环境下的热处理结晶过程有效的提高了空穴浓度，改善了硒薄膜p型电学性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三方晶系硒薄膜结晶方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：Se吸收层沉积完成后，将材料在含氧、无水以及光照条件下进行热退火处理，获得三方晶系硒薄膜；其中，所述光照环境，其光谱为300～800nm的光谱区间，光照强度为100～1000W/m2，光照时间为15～110分钟；所述热退火过程是指升温到热退火温度保持时间5～20分钟，升温时间为10～90分钟，热退火温度为160～210℃，热退火完成后自然冷却降至室温。2.根据权利要求1所述的一种三方晶系硒薄膜结晶方法，其特征在于，所述含氧环境，包括单独氧气环境，或者氧气和惰性气体的混合气体；单独氧气环境氧气压强为0.1～20kPa；氧气和惰性气体混合气体环境的氧分压为0.1～20kPa，混合气体总压强为1～101kPa。3.根据权利要求1所述的一种三方晶系硒薄膜结晶方法，其特征在于，所述无水环境，是指湿度小于1％的干燥气体环境。4.根据权利要求1所述的一种三方晶系硒薄膜结晶方法，其特征在于，光照强度为500W/m2，光照时间为40～60分钟；所述热退火过程，升温时间为20～50分钟，热退火温度为180～190℃，热退火温度保持时间为10～20分钟，热退火完成后自然冷却降至室温。5.一种硒基太阳电池，其结构为：玻璃/透明导电层/种子层/p型吸收层/p型空穴传输层/背电极，玻璃/透明导电层/种子层/p型吸收层/背电极，玻璃/透明导电层/n型电子传输层/种子层/p型吸收层/背电极，或者是玻璃/透明导电层/n型电子传输层/种子层/p型吸收层/p型空穴传输层/背电极，其特征在于，其中所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈凯，麦耀华，鲍飞雄，杨恢东，王新龙，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：