本发明专利技术公开了一种CIGS纳米线阵列结构薄膜太阳能光伏电池的制备方法。该方法包含步骤：采用气-固反应方法生长大面积硫化亚铜或硫化铜纳米线阵列，再通过物理气相沉积及热处理方法转变为CIGS纳米线阵列。半导体纳米线阵列的成分、相结构和能带结构可以通过控制沉积元素种类、沉积顺序、沉积工艺及后期处理等过程进行调节，从而制备出不同结构和性能的太阳能光伏电池。该电池能减小对光的反射，增大对光的吸收，同时还可增大载流子产生的几率，减少空穴和电子复合的几率，实现光电转换效率的大幅提高。本发明专利技术成本低，制备过程可控，制备的纳米线阵列结构分布均匀，能够实现大面积且光电转换效率较高的纳米结构薄膜太阳能光伏电池的制备。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太阳能光伏电池
，特别涉及一种CIGS纳米线阵列结构薄膜太阳能光伏电池及其制备方法。
技术介绍
随着人类对能源需求的不断增加，煤炭、石油、天然气等不可再生能源都将面临短缺的危机。此外，这些能源也存在自身的缺点，它们容易造成环境污染，引发酸雨、温室效应等问题，使得人类的生存和发展面临威胁，新能源和可再生能源的开发和利用也就势在必行。太阳电池能够将太阳能和电能进行直接的转换，是开发和利用太阳能中较为受关注的课题。它的应用能够改变现有能源短缺的现状，并有助于减少上述能源引起的环境污染问题。当前，研究较多的太阳电池有单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硫化镉、镉碲、铜铟硫、铜铟镓硒、铜铟镓硒硫等类型。随着人们对太阳电池光电转换效率提高的要求以及纳米技术的发展，更多人开始了对由上述材料制成的薄膜太阳电池、纳米线太阳电池、纳米棒太阳电池等的研究。铜铟镓硒(CIGS)光伏电池是目前重要的薄膜光伏电池。CIGS为直接带隙半导体， 具有较高的光吸收系数，光电转化效率较高，当前报道的实验室规模制备的CIGS薄膜太阳电池的光电转换效率已经达到了 20 %，但是距理论转换效率还是有较大的差距。公开号为CN101471394的中国专利申请公开的铜铟镓硫硒薄膜太阳电池光吸收层的制备方法，采用非真空液相化学法制备CIGSS薄膜，该制备方法工艺简单，成本低廉， 设备投资少，原料利用率高，可控性强，易于实现大面积薄膜的制备和大规模生产。公开号为CN 101459200A的中国专利申请公开的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池及其吸收层的制备方法，选用柔性金属或聚酰亚胺膜做衬底，磁控溅射Mo膜后再制备金属预制层，真空密封后，放入炉中升温，固态硒源所在区域温度控制在180-300摄氏度，进行硒化处理，使金属预制层转变为半导体薄膜。该工艺过程可控重复性好，减少了硒或硫的用量，过程可控，设备简单。公开号为CN 101768729A的中国专利申请公开的磁控溅射法制备铜铟镓硒薄膜太阳电池光吸收层的方法，采用在底电极上通过磁控溅射法，采用单靶溅射、富铜靶和贫铜靶同时或先后溅射，制备出具有高反应活性，可快速反应烧结的CIGS前驱薄膜，然后将 CIGS前驱薄膜进行热处理，快速反应生成平整、致密、均勻、光电性能良好的CIGS太阳电池光吸收层薄膜。该方法可控性强，薄膜质量高，均勻性好，工艺简单，适合工业化生产。上述几种方法都能制备出质量高，均勻性好的CIGS薄膜，但规模化生产制备的 CIGS薄膜太阳能光伏电池转换效率一般不超过15%，低于实验室制备的CIGS薄膜太阳电池20%光电转换效率，也远远低于理论转换效率。目前纳米线阵列结构的CIGS太阳能光伏电池是各国研发的重点。纳米线阵列光伏电池具有薄膜光伏电池不具备的优点，主要的优点有一是纳米线阵列可以有效的减少光反射，增加光伏电池对光的吸收能力；二是能够充分利用纳米线阵列直径较小，光线的吸收发生在纳米线阵列的轴向，纳米线阵列之间的距离小于光波波长来增大对光的吸收，而且纳米线的晶体点阵择优取向减小了点阵畸变，减小对光的反射；三是纳米线阵列的比表面积大，增大了载流子产生的几率，且载流子的输运发生在径向，减少了空穴和电子复合的几率，能够实现太阳能光伏电池光电转换效率的大幅提高。所以，部分人尝试采用不同方法制备CIGS纳米线阵列太阳能光伏电池光吸收层。Carmelo Sunseria等人通过使用氧化铝模板的恒压沉积方法制备出的CIGS纳米线阵列，( 和其它三种元素的原子百分比达到了 2. 4，光学带隙达到了 1.55. Yi Cui等人第一次利用Au颗粒催化的VLS生长方法，制备出CIGS纳米线。但是以上方法都不适合制备大面积CIGS纳米线阵列光伏电池，对其点阵结构和取向的控制能力有限，还没有制备出可实用的纳米线结构薄膜光伏电池。在纳米结构CIGS薄膜光伏电池制备过程中，还不存在一种较为完善的制备纳米线阵列太阳能光伏电池的生产方法。普遍存在的主要问题是难以实现大面积生产制备、制备成本较高，且各元素比例和材料微观结构较难控制。
技术实现思路
为了解决上述纳米线阵列光伏电池现有制备技术中存在的不足，本专利技术的首要目的在于提供一种纳米线CIGS薄膜光伏电池的制备方法，该方法具有工艺简单，成本较低， 能够进行大面积加工、对设备要求不高等优点。本专利技术的又一目的在于提供一种上述方法制备的纳米线CIGS薄膜光伏电池。本专利技术的目的通过下述技术方案实现一种铜铟镓硒(CIGS)纳米线阵列结构薄膜太阳能光伏电池的制备方法，该方法通过在气固反应方法制备的硫化亚铜(Cu2S)或硫化铜(CuQ纳米线阵列的基础上，结合物理气相沉积方法及热处理方法制备铜铟镓硒 (CIGS)纳米线阵列结构薄膜太阳能光伏电池。上述方法具体包括以下操作步骤(1)在清洗后的衬底上，通过物理气相沉积法或电化学沉积法，依次沉积背电极层和铜膜，得到沉积了铜膜的衬底；(2)将步骤⑴所得沉积了铜膜的衬底放入反应容器中，通入设定的氧气和硫化氢的混合气体后，控制反应温度，通过气固反应将铜膜转换为硫化亚铜或硫化铜纳米线阵列；将制备好的硫化亚铜或硫化铜纳米线阵列放入盐酸水溶液中将表面氧化层溶掉，再通过物理气相沉积法，在硫化亚铜或硫化铜纳米线阵列上沉积含有N种元素的薄膜，得到ρ型半导体纳米线阵列吸收层；所述N为自然数，取值范围为2 < N < 9 ；(3)将步骤(2)所得样品放入加热炉中，在Ar气保护下，Hje或者H2S气氛中进行硒化或硫化，温度控制在300°C 600°C之间，时间为0. 1 池，直至形成所需相结构和成分的P型半导体CIGS纳米线阵列；(4)在经过步骤(3)处理后得到的ρ型半导体CIGS纳米线阵列表面沉积η型半导体薄层，得到具有ρ-η结的核/壳型纳米线阵列；(5)在步骤(4)所得具有ρ-η结的核/壳型纳米线阵列上，通过物理气相沉积法依次沉积窗口层和金属栅格电极，金属合金化形成金属欧姆接触，得到铜铟镓硒纳米线阵列5结构薄膜太阳能光伏电池。步骤(1)所述物理气相沉积法为溅射法、热蒸发法、电子束蒸发法、激光束蒸发法或硒化法；所述电化学沉积法为脉冲电化学沉积、恒压电化学沉积或恒流电化学沉积；所述衬底为陶瓷、云母、高分子塑料、金属、硅片、玻璃或不锈钢片；所述背电极为钼(Mo)、铝 (Al)、金(Au)、铜(Cu)、ITO玻璃(ITO)、银(Ag)、钨(W)、镍(Ni)或钛(Ti)，所述背电极层的厚度为50nm 50μπι。步骤⑵所述混合气体中硫化氢和氧气的比例为1 100 1 0 ；所述反应温度控制在10 200°C ；所述气固反应时间为1 500h ；所述盐酸水溶液的浓度为0. 001 2mol/L。步骤⑵所述ρ型半导体纳米线阵列吸收层是由半导体合金(CuxBh)Cy(DzSh)2 组成，其中0 < χ彡1，0彡y彡1，0彡ζ < 1，B为银和金中的一种以上，C为铝、铟和镓中的一种以上，D为硒和碲中的一种以上；所述物理气相沉积法为溅射法、热蒸发法、电子束蒸发法或激光束蒸发法。所述热蒸发法为先共蒸发铟-镓，再蒸发铜，再共蒸发铟-镓；或者先蒸发镓-硒，再蒸发铟-硒，最后蒸发铜；或者先蒸发铟-硒，再蒸发镓-硒，最后蒸发铜-硒；或者先共蒸发铟-镓-硒本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：任山，李立强，刘珠凤，李明，洪澜，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：
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