CN101378090A - 一种锡硫化物薄膜太阳电池 - Google Patents
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Abstract
一种锡硫化物薄膜太阳电池，包括导电玻璃/金属栅电极和金属背电极，其特征是在导电玻璃/金属栅电极和金属背电极之间有构成单结或多结的n－SnS2或其复合物薄膜以及p－SnS或其复合物薄膜。所述的复合物是指对二硫化锡(n－SnS2)和硫化亚锡(p－SnS)进行掺杂得到的锡硫化物。本太阳电池原料来源丰富，安全环保，加工方便，利用SnS2和SnS组成元素相同、导电类型不同，容易实现能隙匹配、异质结过渡和载流子良好的输运特性，辅之金属锡等电极，有效地解决好载流子的收集问题。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种化合物薄膜太阳电池，确切地说是一种锡硫化物薄膜太阳电池。
二、背景技术
能源危机与环境污染是人类正面临的重大挑战，充分开发利用太阳能，已成为世界各国政府可持续发展能源的战略决策。发展高性价比太阳光伏电池及利用技术是可再生能源低成本规模化开发利用的一个优先方向，研究太阳电池相关材料及其关键技术是高效能源材料技术的重要内容。因此，研究和利用太阳电池直接将太阳能转变成电能，实现光伏并网发电，将对改变传统能源结构、缓解人类未来能源紧张、减少SO2和CO2的排放、改善生态环境等具有重大的现实意义。
要想让光伏发电真正成为能源体系的组成部分，关键是实现其性能价格比可与常规能源相当。影响晶体硅太阳电池在我国大力推广应用的主要障碍是其昂贵的生产成本和复杂的制备工艺，为了实现降低太阳电池成本的目标，美、欧、澳、日等发达国家均把重点放在发展具有很大成本优势的薄膜太阳电池上。目前，化合物薄膜太阳电池主要有GaAs、铜铟镓硒(CIGS)、CdTe、InP等，虽然这些化合物薄膜太阳电池有较高的光电转换效率，但Ga、In、Te、Se等元素稀少，Cd、As、P等有毒，会污染环境。
锡的硫化物中最为重要的是SnS2和SnS，通常SnS2的导电类型为n型，禁带宽度为2.18eV，SnS的导电类型为p型，禁带宽度为1.3eV。由于地球上锡、硫含量丰富，来源广范，安全无毒，价格便宜，且SnS的禁带宽度介于Si(1.12eV)和GaAs(1.43eV)之间，根据Prince-Loferski图推算，SnS太阳电池的最高转换效率可达～25％。涉及到SnS薄膜制备的研究较多，有化学浴沉积法、电化学沉积法、蒸发法、化学气相沉积法、喷雾热解法、溶液浸渍反应法、锡膜硫化法等多种方法，而有关SnS2薄膜制备的研究较少。
三、发明内容
本发明旨在提供一种安全、环保、廉价且光电转换效率高的化合物薄膜太阳电池，所要解决的技术问题是使用锡硫化物薄膜制备太阳电池。
本发明所称的锡硫化物除二硫化锡(n-SnS2)和硫化亚锡(p-SnS)外，还包括掺杂的二硫化锡和掺杂的硫化亚锡，对掺杂的锡硫化物称锡硫化物复合物，简称复合物。对n-SnS2掺杂的元素选自锑(Sb5+、Sb3+)或铋(Bi3+)或锡(Sn2+)或铜(Cu2+)或氟(F)或硒(Se)等，对p-SnS掺杂的元素选自锑(Sb5+、Sb3+)或铋(Bi3+)或锡(Sn4+)或铜(Cu2+)或氟(F)或硒(Se)等，掺杂量以四氯化锡或氯化亚锡同掺杂元素相应化合物的物质的质量比计，为1：0.001～0.02。
鉴于SnS2和SnS的导电类型分别为n型和p型，所以可以用来加工薄膜太阳电池，也就是说本薄膜太阳电池的p-n结是由锡硫化物或其复合物薄膜所构成。
本薄膜太阳电池包括导电玻璃/金属栅电极和金属背电极，与现有技术的区别是导电玻璃/金属栅电极和金属背电极之间有构成单结或多结的n-SnS2或其复合物薄膜以及p-SnS或其复合物薄膜。
所述的单结是指导电玻璃/金属栅电极/n-SnS2或其复合物/p-SnS或其复合物/金属背电极这样的结构；所述的多结是指导电玻璃/金属栅电极/n-SnS2或其复合物/p-SnS或其复合物/n-SnS2或其复合物/金属背电极或者导电玻璃/金属栅电极/p-SnS或其复合物/n-SnS2或其复合物/p-SnS或其复合物/金属背电极这样的结构。
锡硫化物及其复合物的成膜方法均可以采用公知的涂喷法或者浸渍法或者丝网印刷等方法制备出多种单结或多结结构的薄膜太阳电池。
金属栅电极和金属背电极选白公知的锡(Sn)或铝(Al)或铟(In)或铜(Cu)。采用公知的热蒸发法或电子束气相沉积法制备电极。
锡硫化物及其复合物制备的工艺过程和工艺条件如下：
SnS2及其复合物：称取7.02g结晶四氯化锡或结晶四氯化锡与其掺杂物的混合物溶于5.00ml浓盐酸，加入100.0g蒸馏水搅拌均匀并过滤，边磁力搅拌边将配制好的溶液滴加到相应的硫化铵溶液中，滴加完后继续搅拌30min，然后过滤、洗涤，将沉淀物加入适量的水并转移到高压釜中，放在电热恒温鼓风干燥箱于180℃保温12h。
SnS及其复合物：称取4.61g氯化亚锡或氯化亚锡与其掺杂物的混合物溶于2.00ml浓盐酸，加入100.0g蒸馏水搅拌均匀并过滤，边磁力搅拌边将配制好的溶液滴加到相应的硫化铵溶液中，滴加完后继续搅拌30min，然后过滤、洗涤，将沉淀物加入适量的水并转移到高压釜中，放在电热恒温鼓风干燥箱于180℃保温12h。
相对于现有技术的有益效果是，其一，锡和硫两种元素地球上含量丰富，来源广范，价格便宜，安全环保，降低了化合物薄膜太阳电池的生产成本，同时对环境友好；其二，合成、掺杂、复合、晶化、成膜工艺简便，容易控制化学计量比和掺杂的均匀性，实现大面积连续化生产，降低能耗；其三，利用SnS2和SnS的组成元素相同、导电类型不同，通过掺杂和复合，容易实现能隙匹配、异质结过渡和载流子良好的输运特性，再经制备金属锡等电极，有效地解决好载流子的收集问题。
四、具体实施方式
根据SnS2及其复合物和SnS及其复合物的不同，n-SnS2或其复合物/p-SnS或其复合物结构的薄膜太阳电池有以下非限定的实施方式：
1、用喷涂法在导电玻璃/金属栅电极上制备SnS2薄膜，该SnS2是用结晶四氯化锡与硫化铵反应制得；用同样方法在导电玻璃/金属栅电极/SnS2薄膜上制备SnS薄膜，该SnS是用氯化亚锡与硫化铵反应制得，同时用热蒸发法或电子束气相沉积法制备金属背电极。
2、用浸渍法在导电玻璃/金属栅电极上制备SnS2复合物薄膜，该SnS2复合物是用结晶四氯化锡与氯化铜的物质的量比为1:0.02与硫化铵反应制得，用同样方法在导电玻璃/金属栅电极/SnS2复合物薄膜上制备SnS复合物薄膜，该SnS复合物是用氯化亚锡与结晶四氯化锡的物质的量比为1:0.001与硫化铵反应制得，同时用热蒸发法或电子束气相沉积法制备金属背电极。
3、用丝网印刷法在导电玻璃/金属栅电极上制备SnS2复合物薄膜，该SnS2复合物是用结晶四氯化锡与氯化亚锡的物质的量比为1:0.01与硫化铵反应制得，用同样方法在导电玻璃/金属栅电极/SnS2复合物薄膜上制备SnS复合物薄膜，该SnS复合物是用氯化亚锡与氯化铜的物质的量比为1:0.001与硫化铵反应制得，同时制备金属背电极。
4、用喷涂法在导电玻璃/金属栅电极上制备SnS2复合物薄膜，该SnS2复合物是用结晶四氯化锡与五氯化锑的物质的量比为1:0.01与硫化铵反应制得，用同样方法在导电玻璃/金属栅电极/SnS2复合物薄膜上制备SnS复合物薄膜，该SnS复合物是用氯化亚锡与氯化铜的物质的量比为1:0.001与硫化铵反应制得的，同时制备金属背电极。
5、用浸渍法在导电玻璃/金属栅电极上制备SnS2复合物薄膜，该SnS2复合物是用结晶四氯化锡与五氯化锑的物质的量比为1:0.01与硫化铵反应制得，用同样方法在导电玻璃/金属栅电极/SnS2复合物薄膜上制备SnS复合物薄膜，该SnS复合物是用氯化亚锡与三氯化铋的物质的量比为1:0.001与硫化铵反应制得的，同时制备金属背电极。
6、用丝网印刷法在导电玻璃/金属栅电极上制备SnS2复合物薄膜，该SnS2复合物是用结晶四氯化锡与氟化铵的物质的量比为1:0.01与硫化铵反应制得，用同样方法在导电玻璃/金属栅电极/SnS2复合物薄膜上制备SnS复合物薄膜，该SnS复合物是用氯化亚锡与三氯化铋的物质的量比为1:0.001与硫化铵反应制得的，同时制备金属背电极。
7、用喷涂法在导电玻璃/金属栅电极上制备SnS2复合物薄膜，该SnS2复合物是用结晶四氯化锡与氯化亚锡的物质的量比为1:0.01与硫化铵反应制得的，用同样方法在导电玻璃/金属栅电极/SnS2复合物薄膜上制备SnS复合物薄膜，该SnS复合物是用氯化亚锡与硒化钠的物质的量比为1:0.001与硫化铵反应制得的，同时制备金属背电极。
8、用浸渍法在导电玻璃/金属栅电极上制备SnS2复合物薄膜，该SnS2复合物是用结晶四氯化锡与五氯化锑的物质的量比为1:0.01与硫化铵反应制得，用同样方法在导电玻璃/金属栅电极/SnS2复合物薄膜上制备SnS复合物薄膜，该SnS复合物是用氯化亚锡与硒化钠的物质的量比为1:0.001与硫化铵反应制得的，同时制备金属背电极。
9、用丝网印刷法在导电玻璃/金属栅电极上制备SnS2复合物薄膜，该SnS2复合物是用结晶四氯化锡与氟化铵的物质的量比为1:0.01与硫化铵反应制得，用同样方法在导电玻璃/金属栅电极/SnS2复合物薄膜上制备SnS复合物薄膜，该SnS复合物是用氯化亚锡与氟化铵的物质的量比为1:0.001与硫化铵反应制得的，同时制备金属背电极。
Claims (4)
1、一种锡硫化物薄膜太阳电池，包括导电玻璃/金属栅电极和金属背电极，其特征在于：在导电玻璃/金属栅电极和金属背电极之间有构成单结或多结的n-SnS2或其复合物薄膜以及p-SnS或其复合物薄膜。
2、根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于：其结构为导电玻璃/金属栅电极/n-SnS2或其复合物/p-SnS或其复合物/金属背电极。
3、根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于：其结构为导电玻璃/金属栅电极/n-SnS2或其复合物/p-SnS或其复合物/n-SnS2或其复合物/金属背电极。
4、根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于：其结构为导电玻璃/金属栅电极/p-SnS或其复合物/n-SnS2或其复合物/p-SnS或其复合物/金属背电极。
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