[發明專利]一種鈣鈦礦單晶材料與微晶硅復合材料結合的薄膜太陽電池及其制備方法

在審

• 申請號: 201610589165.6
• 申請日: 2016-07-22
• 公開（公告）號: CN106784316A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 田漢民;金慧嬌;田學民;戎小瑩;張天;郭丹;趙昆越
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/48
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明的技術方案涉及專門適用于將光能轉換為電能的半導體器件，具體地說是鈣鈦礦單晶材料與微晶硅復合的薄膜太陽電池及其制備方法。

背景技術

太陽能的利用是人類社會進步的一大突破，在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分，并不斷得到發展。太陽能作為可再生能源，主要的利用手段是將太陽能轉化為電能，進而應用與人類生活的方方面面。低價高效并長期穩定的太陽電池是利用太陽能實現大規模光電轉換的基礎。

一類太陽電池是微晶硅薄膜太陽電池。這種電池是在玻璃(glass)襯底上沉積透明導電膜(TCO)，然后依次用等離子體反應沉積p型、i型、n型三層a-Si，接著再蒸鍍金屬電極鋁(Al)。硅是一種非常優良的半導體材料，無毒無害、在地球儲量豐富，通過摻雜可以形成優良的性能穩定的p型空穴傳輸材料、n型電子傳輸材料。微晶硅是微晶粒、晶粒間界和非晶相共存的混合相材料，其帶隙隨著晶相比的不同而不同，由1.2eV到1.7eV連續可調，而且幾乎沒有光致衰退效應，可制備成性能優良的太陽電池。

但是，現有非晶硅、微晶硅薄膜太陽電池面臨制備工藝和成本較高的諸多問題。如微晶硅薄膜太陽電池的本征層厚度需1～3.5um左右，其制備環節的沉積速率多在0.1～10nm/s左右，這使得沉積速率成為制約其發展的主要問題之一；微晶硅薄膜沉積速率的提高往往需要提高功率密度，但帶來的問題就是電子溫度過高，并引起離子的能量過高及高能量的離子過多，高能離子的轟擊是薄膜質量變差的重要原因。目前的微晶硅薄膜太陽電池的制備速度過慢，導致制備成本高，扼制了其大規模生產和應用。此外，商業化的單結的非晶硅/微晶硅太陽電池的光電效率在10％左右，相對低于其他商業化太陽電池的光電效率。

一類太陽電池是最近迅速發展的鈣鈦礦光吸收層太陽電池。這類電池的組成為導電基底、電子傳輸材料、鈣鈦礦光吸收層、有機空穴傳輸材料、金屬電極。這類電池中的鈣鈦礦光吸收層具有低廉的成本、簡單的制備工藝、良好的光吸收、光電轉換特性以及優異的光生載流子輸運特性，其電子與空穴擴散長度可超過1um，所以這類電池具有超低成本的潛力。但目前鈣鈦礦光吸收層太陽電池中使用有機空穴傳輸材料，有機空穴傳輸材料壽命相對硅等無機材料要短很多，而且有機空穴傳輸材料的價格也遠高于硅等無機材料。所以鈣鈦礦光吸收層太陽電池穩定性差、目前綜合成本高。

還有一類電池是鈣鈦礦與硅結合的太陽電池。這類電池中的組成為導電基底、電子傳輸材料、鈣鈦礦光吸收層、P型非晶硅薄膜、金屬電極。這類電池以鈣鈦礦材料為光吸 收層，以P型非晶硅薄膜替代傳統的有機空穴傳輸材料，不需要厚度達到幾十微米甚至220微米的晶硅材料實現光吸收，也不使用穩定性差價格昂貴的有機空穴材料，因而這種電池具有低廉的成本、優異光電轉換性能的潛力。但由于制備工藝需要互相匹配的制約，目前這種鈣鈦礦與硅結合的太陽電池中的鈣鈦礦光吸收層為非晶與微晶的混合相薄膜，這種鈣鈦礦與硅結合的太陽電池中的P型非晶硅薄膜也是為非晶薄膜或非晶與微晶的混合相薄膜。非晶與微晶的混合相薄膜中存在很多晶粒、晶界、孔隙和表面缺陷會造成載流子的復合，而且薄膜態的鈣鈦礦對溫度，濕度，氣體敏感度都具有很高的反應，很容易受到影響，失去本來的特性。因此目前的鈣鈦礦與硅結合的太陽電池存在光電轉換性能低、穩定性不足的缺點。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：本發明提供一種鈣鈦礦單晶材料與微晶硅復合材料結合的薄膜太陽電池及其制備方法，通過使用鈣鈦礦單晶作為光吸收層，P型微晶硅作為空穴傳輸層制備的太陽電池不僅克服了鈣鈦礦薄膜太陽電池穩定性差，空穴傳輸材料昂貴的缺點，同時解決了微晶硅薄膜太陽電池存在低制備速率導致制備成本高及光電轉換效率低的缺點，進而能夠得到更加高效，穩定的太陽電池。

本發明解決該技術問題所采用的技術方案是：

鈣鈦礦單晶材料與微晶硅復合材料結合的薄膜太陽電池由底部電極、氧化物半導體薄膜、鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層和頂部電極構成；氧化物半導體薄膜是n型半導體薄膜，鈣鈦礦光吸收層是鈣鈦礦晶體結構的光吸收材料，空穴傳輸層是具備與鈣鈦礦光吸收層相匹配能級的P型微晶硅薄膜，底部與頂部電極是鋁或銀構成的膜；所述空穴傳輸材料被沉積在鈣鈦礦單晶材料上，氧化物半導體薄膜被濺射沉積在鈣鈦礦單晶材料上，由鋁或銀構成的膜被鍍在空穴傳輸層和氧化物半導體薄膜上形成底部和頂部電極。

上述鈣鈦礦單晶材料與微晶硅復合材料結合的薄膜太陽電池，所述的氧化物半導體薄膜為ZnO薄膜。