[發明專利]一種氧化亞銅基異質結太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201510295043.1
• 申請日: 2015-06-02
• 公開（公告）號: CN104993004B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: 朱麗萍;牛文哲
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L31/072
• 分類號: H01L31/072;H01L31/0336;H01L31/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 韓介梅

技術領域

本發明涉及一種太陽能電池及其制備方法，具體涉及一種氧化亞銅基異質結太陽能電池及其制備方法，屬于太陽能電池技術領域。

背景技術

現如今，人類對可持續發電的需求促進了人們對新型光伏材料的研究，科學界一直致力于尋找性能佳、成本低的材料。一項最近的報導顯示，有九種無機半導體材料被認為既具有優異的發電潛能又具有材料提取成本低于晶體硅的優點。其中，氧化亞銅在傳統太陽能面板和集成太陽能電池上的應用潛能受到了極大的關注。氧化亞銅是一種本征p型的半導體材料，這是由其晶體內部的銅空位形成受主能級而造成的。Cu₂O是直接禁帶半導體，其禁帶寬度為2.1eV，因此在可見光區域有較高的吸收系數和光電轉換效率。根據肖克利-奎伊瑟極限，單結Cu₂O太陽能電池效率理論上可達20%。但由于難以制得N型氧化亞銅，Cu₂O與本征N型的ZnO寬禁帶半導體做成異質結，形成TypeⅡ型能帶結構，可實現光生載流子的產生和分離，理論能量轉換效率（PCE）約為18%。

目前關于Cu₂O基太陽能電池的研究中，大部分是雙層膜結構或者Cu₂O薄膜與另一種材料的納米柱薄膜的結合。其中Izaki等（J.?Phys.?D:?Appl.?Phys.?2007,?40,?3326–3329）利用電化學沉積法制備的雙層結構的太陽能電池短路電流密度為3.8mA/cm2，開路電壓為0.59V，填充因子為0.58，能量轉換效率為1.28%，這在電化學沉積法制得的太陽能電池中轉換效率是最高的。意大利的Mittiga等（Appl.?Phys.?Lett.?2006,?16,?3502）采用熱氧化法制備氧化亞銅薄膜，再利用離子束濺射法沉積一層TCO薄膜。得到了短路電流密度6.78mA/cm²，開路電壓0.595V，填充因子0.50，能量轉換效率2%。Nishi和Minami等人通過不斷優化氧化亞銅的熱氧化工藝，以及在Cu₂O與ZnO中間插入阻擋層等方法，將轉換效率提高到約5.23%，這也是目前所報道的最大值。在上述方法中，太陽能電池轉換效率與理論值相差很多，一方面限制太陽能電池轉換效率的原因是：氧化亞銅薄膜吸收90%入射光所需的厚度遠大于氧化亞銅薄膜中光生載流子的最遠傳輸長度；另一方面，由于兩種材料的界面處存在大量界面態，且兩種材料的能帶不匹配，產生的光生載流子在界面處容易產生界面復合，降低了光生載流子的分離效率，兩方面原因使得光生載流子不能有效的分離和收集，使得光電轉換效率很低。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種開路電壓大，光電轉換效率高的氧化亞銅基異質結太陽能電池及其制備方法。

本發明的氧化亞銅基異質結太陽能電池，在襯底上自下而上依次有鉻金復合電極、氧化亞銅層、ZnO:S緩沖層、ZnO:Al層和鋁柵電極，所述的ZnO:S緩沖層厚度為10nm，硫的原子百分比為9%，所述的ZnO:Al層載流子濃度大于10²¹?cm^-3，方塊電阻小于50Ω/□。

上述技術方案中，所述的鉻金復合電極中鉻層厚度通常為8nm,?金層厚度為100～120nm。

所述的氧化亞銅層的厚度通常為2.5μm±100nm。

所述的鋁柵電極的厚度通常為1μm，其柵間距為0.5㎜。

所述的襯底可以是如石英襯底、玻璃、硅片等硬質襯底，也可以采用柔性襯底。

制備上述的氧化亞銅基異質結太陽能電池的方法，包括如下步驟：

1）在潔凈的襯底上依次蒸鍍鉻、金制備鉻金復合電極；

2）在上述鉻金復合電極表面采用電化學沉積法生長氧化亞銅層，并在鉻金復合電極表面預留用于電池測試的面積；

3）在上述氧化亞銅層表面依次沉積生長ZnO:S緩沖層和?ZnO:Al層；

4）在ZnO:Al層表面制作鋁柵電極，獲得氧化亞銅基異質結太陽能電池。

本發明中采用ZnO:S作為緩沖層，可以有效提高太陽能電池的光電轉換效率：該結構在Cu₂O與ZnO:Al的界面處形成一個電子阻擋層，即形成一個能量勢壘，有效阻擋電子和空穴的界面復合；同時大大減小了異質結界面的缺陷密度，從而降低了pn結反向飽和電流，進一步增大了太陽能電池的開路電壓。這兩方面的作用可提高光生載流子的分離和收集，從而有效提高太陽能電池的光電轉換效率。