CN101645466A - 薄膜太阳电池CdS缓冲层及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄膜太阳电池CdS缓冲层及制备方法。将含镉的化合物与含硫的化合物进行化学反应，反应中添加含金属离子的化合物或者溶液，进行金属离子掺杂，制备出Cd_xM_1－xS薄膜，用作铜铟镓硒(CIGS)系薄膜太阳电池的缓冲层材料。本发明一方面减少材料中Cd的用量，减少镉金属污染问题，有利于环境保护；另一方面通过掺杂可有效调整缓冲层材料的带隙，继而提高铜铟镓硒系薄膜太阳电池的光电转换效率。

Description

薄膜太阳电池CdS缓冲层及制备方法

技术领域

本发明涉及太阳电池领域，具体涉及薄膜太阳电池CdS缓冲层及制备方法。

背景技术

在全球能源危机和环境污染日益加重的今天，太阳能以无污染，零排放以及分布最广泛，取之不尽等优点越来越多地受到人们的重视。太阳电池是解决日趋严重的能源危机与环境污染的有效手段之一，得到人们越来越广泛的关注和重视，世界各国均把发展太阳电池技术放在可再生能源的首位。其中，太阳电池材料已成为目前最具活力和最受瞩目的研究领域之一。

基于晶体硅(单晶硅和多晶硅及其薄膜)的第一代太阳电池由于其光电转化率高(已分别达到24.7％和20.3％)目前在工业生产和市场上处于主导地位。其技术比较成熟因而占整个太阳能产量的90％以上。但是由于需要消耗大量高纯原料，原料成本占总成本的60％-80％，导致价格居高不下，成为太阳电池推广应用的主要障碍。由于节省原材料，有效降低太阳电池的成本，基于薄膜技术的第二代太阳电池逐渐显示出巨大的优势和发展潜力，成为近些年来太阳电池领域的研究热点。

在各种薄膜太阳电池当中，以具有黄铜矿结构的硫属化合物CuIn_1-xGa_xSe₂(CIGS，x＝0～1)作为光吸收层，CdS作为缓冲层的薄膜太阳电池(ZnO/CdS/CIGS)由于转化效率高(已达到19.9％)、稳定性好、制备简单等特点受人们关注，成为研究的重点和热点。

CuInSe₂为代表的I-III-VI₂族黄铜矿结构直接能隙半导体材料，具有较高的光吸收系数(达10⁵数量级)，适合于制成薄膜太阳电池，其禁带宽度为1.04eV。

缓冲层在CIGS系薄膜太阳电池中是很必要而且是关键的组成部分，它与吸收层的失配率大小决定异质结性能是否良好。缓冲层的作用包括：(1)减少异质结的晶格失配率；(2)包覆在粗糙的CIGS表面，阻止后续膜层的制备工序(如溅射ZnO)对CIGS薄膜的损伤，并消除由此引起的电池短路现象；(3)薄膜中原子扩散到CIGS表面有序缺陷层进行微量掺杂，改善异质结的特性。

CdS薄膜具有纤锌矿结构，是直接带隙半导体，带隙为2.4eV，将其应用于CIGS电池的窗口层，并作为n型半导体，与p型的CIGS构成异质结太阳电池。虽然CdS只有50nm左右厚，但CdS中Cd是有毒的重金属离子，在CdS的制备使用和回收处理中会对环境造成污染；另外CdS的禁带宽度为2.4eV，带隙偏小，对太阳光长波部分的吸收而会造成电池短路电流的降低。

发明内容

针对目前单一CdS用作CIGS系薄膜太阳电池缓冲层存在的问题，本发明提供一种CdS缓冲层及其制备方法。

本发明的薄膜太阳电池CdS缓冲层的其特征是所述缓冲层是包含CdxM1-XS的薄膜，其中0＜x＜1，M代表金属化学元素。

在优选实施例中，

所述缓冲层厚度为50nm-80nm，带隙为2.3eV-3.1eV。

所述CdxM1-XS是通过对CdS进行金属离子掺杂而获得的，所述金属离子掺杂中金属为Pb、In、Zn、Sn中的至少一种。

本发明的薄膜太阳电池CdS缓冲层制备方法，是在一定温度条件下，将含镉的化合物与含硫的化合物进行化学反应，向反应过程中添加含金属离子的化合物或者溶液，进行金属离子掺杂，制备出Cd_xM_1-XS薄膜。

所述含镉的化合物为含Cd的卤化物、硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐中的至少一种化合物，优选Cd硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐。反应体系中Cd²⁺浓度为0.005～1.0mol/L。

所述含硫的化合物为Na₂S，Na₂S₂O₃，硫代乙酰胺，硫脲中的至少一种化合物，优选硫脲，Na₂S₂O₃。反应体系中S^2-浓度为0.005～1.0mol/L。

所述的化学反应为化学浴沉积法。

所述的金属离子掺杂中金属离子为Pb、In、Zn、Sn中的至少一种。反应体系中掺杂金属离子浓度为0.005～1.0mol/L。

所述的反应温度为10℃～90℃。

采用上述方案后，一方面减少材料中Cd的用量，减少镉金属污染问题，有利于环境保护；另一方面通过掺杂可有效调整缓冲层材料的带隙，继而提高铜铟镓硒系薄膜太阳电池的光电转换效率。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明，但不得将这些实施例解释为对本发明保护范围的限制。

实施例1

所用药品为分析纯试剂，采用去离子水配制。用去离子水将CdSO₄配制成0.02mol/L的溶液；用去离子水配制1.0mol/L硫脲溶液；将ZnSO₄配制成0.02mol/L的溶液。先将100mL硫酸镉溶液和100mL氨水混合置于反应器中，再将反应器置于水浴锅中加热到70℃，然后加入50mL硫脲溶液混合，调整PH值约为8.5～8.8，将50mL ZnSO₄溶液加入反应体系中。反应过程看到溶液首先变成黄绿色，逐渐变成黄色，最后变成橙色。反应时间为0.5h。取出沉积样品，用去离子水清洗，再用氮气吹干样品，得到掺Zn的Cd_0.5Zn_0.5S薄膜，厚度约为70nm，带隙为3.1eV。

实施例2

所用药品为分析纯试剂，采用去离子水配制。用去离子水将CdSO₄配制成0.02mol/L的溶液；用去离子水配制1.0mol/L硫脲溶液，将PbSO₄配制成0.02mol/L的溶液。先将100mL硫酸镉溶液和100mL氨水混合置于反应器中，再将反应器置于水浴锅中加热到70℃，然后加入50mL硫脲溶液混合，调整PH值约为9.5～9.5，将10mLPbSO₄溶液加入反应体系中。反应过程看到溶液首先变成黄绿色，逐渐变成黄色，最后变成橙色。反应时间为0.5h。取出沉积样品，用去离子水清洗，再用氮气吹干样品，得到掺Pb的Cd_0.9Pb_0.1S薄膜，厚度约为60nm，带隙为2.3eV。

实施例3

所用药品为分析纯试剂，采用去离子水配制。用去离子水将CdCl₂配制成0.03mol/L的溶液；用去离子水配制1.0mol/L硫脲溶液，将ZnCl₂配制成0.03mol/L的溶液。先将100mL氯化镉溶液和100mL氨水混合置于反应器中，再将反应器置于水浴锅中加热到70℃，然后加入20mL硫脲溶液，调整PH值约为8.0～8.2，将50mL ZnCl₂溶液加入反应体系中。反应过程看到溶液首先变成黄绿色，逐渐变成黄色，最后变成橙色。反应时间为0.6h。取出沉积样品，用去离子水清洗，再用氮气吹干样品，得到掺Zn的Cd_0.7Zn_0.3S薄膜，厚度约为80nm，带隙为2.9eV。

实施例4

所用药品为分析纯试剂，采用去离子水配制。用去离子水将CdCl₂配制成0.02mol/L的溶液；用去离子水配制1.0mol/L硫代硫酸钠溶液，将ZnCl₂配制成0.02mol/L的溶液。先将100mL氯化镉溶液和100mL氨水混合置于反应器中，再将反应器置于水浴锅中加热到70℃，然后加入40mL硫代硫酸钠溶液，调整PH值约为9.0～9.2，将40mL ZnCl₂溶液加入反应体系中。反应过程看到溶液首先变成黄绿色，逐渐变成黄色，最后变成橙色。反应时间为0.2h。取出沉积样品，用去离子水清洗，再用氮气吹干样品，得到掺Zn的Cd_0.8Zn_0.2S薄膜，厚度约为50nm，带隙为2.8eV。

Claims (9)

1、一种薄膜太阳电池CdS缓冲层，其特征是：所述缓冲层是包含Cd_xM_1-XS的薄膜，其中0＜x＜1，M代表金属化学元素。

2、如权利要求1所述的薄膜太阳电池CdS缓冲层，其特征是：所述缓冲层厚度为50nm-80nm，带隙为2.3eV-3.1eV。

3、如权利要求1所述的薄膜太阳电池CdS缓冲层，其特征是：所述Cd_xM_1-XS是通过对CdS进行金属离子掺杂而获得的，所述金属离子掺杂中金属为Pb、In、Zn、Sn中的至少一种。

4、薄膜太阳电池CdS缓冲层制备方法，其特征在于：将含镉的化合物与含硫的化合物进行化学反应，反应中添加含金属离子的化合物或者溶液，进行金属离子掺杂，制备出Cd_xM_1-XS薄膜，其中0＜x＜1，M代表金属化学元素。

5、根据权利要求4所述的薄膜太阳电池CdS缓冲层制备方法，其特征在于：所述含镉的化合物为含镉的卤化物、硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐中的至少一种化合物。

6、根据权利要求4所述的薄膜太阳电池CdS缓冲层制备方法，其特征在于：所述含硫的化合物为Na₂S、Na₂S₂O₃、硫代乙酰胺、硫脲中的至少一种化合物。

7、根据权利要求4所述的薄膜太阳电池CdS缓冲层制备方法，其特征在于：所述化学反应为化学浴沉积法。

8、根据权利要求4所述的薄膜太阳电池CdS缓冲层制备方法，其特征在于：所述金属离子掺杂中金属为Pb、In、Zn、Sn中的至少一种。

9、根据权利要求4所述的薄膜太阳电池CdS缓冲层制备方法，其特征在于：反应温度为10℃～90℃。