CN101697361A - 一种碲化镉薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碲化镉薄膜太阳能电池及其制备方法。其结构为：它包括带有导电层衬底，在衬底上依次沉积硫化镉层、碲化镉层、富碲层、背接触层和背电极。由于采用处理过低毒性的化合物镉为镉源，采用处理过的碲或碲化物为碲源，制备碲化镉薄膜太阳能电池。镉源与碲源按照一定摩尔比进行化学反应，制备粒径均一的碲化镉颗粒。然后提纯碲化镉颗粒，把碲化镉与含有聚偏氟乙烯的低沸点溶剂混合制成溶胶，用涂布的方法制备碲化镉薄膜。这种方法避免了人身接触高毒性的镉单质和镉蒸汽，同时也避免了环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及到太阳能电池领域，尤其涉及一种碲化镉薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着人类高速发展，对能源的需求迅猛增加，导致化石燃料能源的枯竭，开发新能源是必由之路，而开发太阳能是人类解决能源问题的根本途径。利用太阳能发电是开发和利用太阳能的重要方向之一，其是利用半导体的光生伏特效应来实现太阳能发电。Chapin，Fuller和Pearson利用这一原理，在1954年利用扩散硅p-n结技术制成第一个太阳电池。此后众多科研工作者经过不懈努力，开发出单晶硅、多晶硅、砷化镓等太阳能光伏器件，由于这些材料造价高、工艺复杂，致使光伏发电价格居高不下。为此人们开发出非晶硅、铜铟稼硒、碲化镉等薄膜太阳能电池，非晶硅和铜铟稼硒要么光电转效率低、要么造价高、不稳定。然而化合物碲化镉多晶薄膜，其特点为：吸收系数大，适合制造薄膜太阳能电池；薄膜带隙为1.45eV，处于最佳能隙范围；容易制造，多种工艺均制成电池效率10％以上。目前其实验室最高效率可达16.5％，部分实现了商业化，碲化镉薄膜电池成本价格是其他薄膜太阳能电池的三分之一，是现在应用在太阳能电池最高性价比的半导体材料。缺点是有毒镉的用量较大，制备薄膜过程中单质镉、镉离子和镉蒸汽一旦泄漏对环境和人身造成巨大的危害。现在制备碲化镉薄膜多采用物理气相沉积、化学气相沉积、真空近升华、磁控溅射等方法，采用这些方法镉靶或真空蒸镀，给操作人员带来巨大潜在危害，同时造成环境污染。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述，提供一种具低成本、结构简单、低毒性等优点的碲化镉薄膜太阳能电池及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种碲化镉薄膜太阳能电池，它包括带有导电层的衬底，在衬底上依次沉积硫化镉层、碲化镉层、富碲层、背接触层和背电极。
所述背电极为镍、铝或镍铝合金；所述背接触层为碲化锌或铜参杂的碲化锌的背接触层。
一种碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，它的步骤为：
(1)采用低毒性的化合物镉为镉源，采用硫或硫化物为硫源，采用碲或碲化物为碲源，镉源与硫源或碲源摩尔比1∶1到1∶50，进行化学反应，制备出粒径均一的硫化镉和碲化镉颗粒；
(2)然后提纯产物，把制备的硫化镉或碲化镉颗粒分别与含有聚偏氟乙烯的低沸点溶剂混合制成胶体溶液；所述低沸点溶剂为乙醇、丙酮、甲醇、正己烷、甲苯中的一种或几种的混合溶剂。
(3)用涂布的方法在镀有透明导电层的衬底上涂布硫化镉和碲化镉，并进行烘干；
(4)在烘干的衬底上在碲的环境下退火处理得到富碲层，然后采用真空镀膜的方法蒸镀背接触层碲化锌，同样的采用真空镀膜方法蒸镀背电极，完成太阳能电池的制作。
它的步骤为：所述步骤(1)中，所述硫化镉和碲化镉颗粒采用高温热解法或水热合成法制备，其中镉源是氧化镉、油酸镉、十八酸镉、十六酸镉、氯化镉、硫酸镉、硝酸镉中的任意一种；所述硫源在高温热解法中采用长链有机酸或有机胺处理过的硫，处理的方法是长链有机酸或有机胺和硫源的混合溶液在100到300℃高温加热，长链有机酸或有机胺是油酸、油胺、十八酸、十八胺、十六胺、十六酸一种或几种的混合物，碲源采用长链有机酸或有机胺处理过的碲，处理的方法是长链有机酸或有机胺和硫源的混合溶液在100到300℃高温加热，长链有机酸或有机胺为油酸、油胺、十八酸、十八胺、十六胺、十六酸一种或几种的混合物，碲源采用长链有机酸或有机胺处理过的碲，高温热解法中所用高沸点有机溶剂是石蜡、十六烯、十八烯、十六烷中一种或几种的混合溶剂。
所述硫源在水热法中采用草酸或柠檬酸或醋酸处理过的硫化钠或硫化钾所述硫源在水热法中采用草酸或柠檬酸或醋酸处理过的硫化钠或硫化钾，处理的方法是草酸或柠檬酸或醋酸和硫源混合在高压反应釜中100-200℃高温高压加热，碲源采用硼氢化钠或硼氢化钾处理过的碲氢化钠或碲氢化钾，处理的方法是硼氢化钠或硼氢化钾和碲源混合在高压反应釜中100-200℃高温高压加热，水热法所用溶剂是蒸馏水。
所述步骤(2)中，碲化镉按照与聚偏氟乙烯的摩尔比为1∶0.15到1∶0.005，配制粘度为500到15000厘泊的胶体溶液。
所述步骤(3)中，涂布的顺序是先涂硫化镉再涂碲化镉顺序依次涂布在镀有透明导电层的衬底上，涂布的硫化镉层厚度在20到1500纳米；碲化镉层厚度在0.5到50微米；每涂布一层硫化镉或碲化镉材料的同时都需要在200到800℃下退火0.5到12小时。
本发明采用处理过低毒性的镉化合物为镉源，采用处理过的硫或硫化物为硫源，采用处理过的碲或碲化物为碲源，制备碲化镉薄膜太阳能电池。镉源与硫源或碲源摩尔比1∶1到1∶50，进行化学反应，制备出的粒径均一的硫化镉和碲化镉颗粒。这种化学合成方法可以是高温热解法，也可以是水热合成法。
把制备好的硫化镉和碲化镉提纯多次，烘干；按一定比例和含有聚偏氟乙烯的易挥发溶剂混合，硫化镉或碲化镉与聚偏氟乙烯的摩尔比为1∶0.015到1∶0.005，配制粘度为500到15000厘泊，优选于2000到10000厘泊。将胶体溶液按先涂硫化镉再涂碲化镉顺序依次涂布在透明导电衬底上，烘干。硫化镉薄膜的厚度控制在20到1500纳米，优选于50到1000纳米；碲化镉薄膜的厚度控制在0.5到50微米，优选于2到15微米。
为了提高碲化镉薄膜太阳能的光电转换效率，在每涂布一层材料的同时都需要在200到800℃退火0.5到12小时。
本发明采用碲化锌或铜参杂的碲化锌为背接触层，背电极为镍、铝或镍铝合金。
本发明镉源是油酸、草酸、柠檬酸、醋酸等弱酸处理过的氧化镉、油酸镉、十八酸镉、十六酸镉、氯化镉、硫酸镉、硝酸镉等镉的化合物，如果采用高温热解法，硫源则采用长链有机酸或有机胺处理过的硫，碲源则采用长链有机酸或有机胺处理过的碲，长链有机酸或有机胺是油酸、油胺、十八酸、十八胺、十六胺、十六酸一种或几种的混合物，高沸点有机溶剂是石蜡、十六烯、十八烯、十六烷一种或几种的混合溶剂；如果采用水热法，硫源则采用草酸、柠檬酸、醋酸等弱酸处理过的硫化钠或硫化钾，碲源则采用硼氢化钠或硼氢化钾处理过的碲氢化钠或碲氢化钾，溶剂是蒸馏水。
本发明的有益效果是：碲化镉薄膜电池成本价格是其他薄膜太阳能电池的三分之一，是现在应用在太阳能电池性价比较高的太阳能电池。其方法避免了人身接触高毒性的镉单质和镉蒸汽，同时也避免了造成环境污染。
附图说明
图1碲化镉薄膜电池结构图；
图2退火后的硫化镉薄膜；
图3退火后的碲化镉薄膜。
其中，1衬底，2透明导电层，3硫化镉层，4碲化镉层，5富碲层，6背接触层，7背电极。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1中，碲化镉薄膜太阳能电池它包括带有导电层2的衬底1，在衬底1上沉积硫化镉层3、碲化镉层4、富碲层5、背接触层6和背电极7。背接触层6为碲化锌或铜参杂的碲化锌的背接触层。背电极7为镍、铝或镍铝合金。
本发明的制备方法为：
(1)采用低毒性的化合物镉为镉源，采用硫或硫化物为硫源，采用碲或碲化物为碲源，镉源与硫源或碲源摩尔比1∶1到1∶50，进行化学反应，制备出粒径均一的硫化镉和碲化镉颗粒；所述硫化镉和碲化镉颗粒采用高温热解法或水热合成法制备，其中镉源是氧化镉、油酸镉、十八酸镉、十六酸镉、氯化镉、硫酸镉、硝酸镉中的任意一种；所述硫源在高温热解法中采用长链有机酸或有机胺处理过的硫，碲源采用长链有机酸或有机胺处理过的碲，高温热解法中所用高沸点有机溶剂是石蜡、十六烯、十八烯、十六烷中一种或几种的混合溶剂；
所述硫源在水热法中采用草酸或柠檬酸或醋酸处理过的硫化钠或硫化钾，碲源采用硼氢化钠或硼氢化钾处理过的碲氢化钠或碲氢化钾，水热法所用溶剂是蒸馏水。
(2)然后提纯产物，把制备的硫化镉或碲化镉颗粒分布与含有聚偏氟乙烯的低沸点溶剂混合制成胶体溶液；碲化镉按照与聚偏氟乙烯的摩尔比为1∶0.015到1∶0.005，配制粘度为500到15000厘泊的胶体溶液。胶体溶液粘度优选为2000到10000厘泊。
(3)用涂布的方法在镀有透明导电层的衬底上涂布硫化镉和碲化镉，并进行烘干；涂布的顺序是先涂硫化镉再涂碲化镉顺序依次涂布在镀有透明导电层的衬底上，涂布的硫化镉层厚度在20到1500纳米，优选50到1000纳米；碲化镉层厚度在0.5到50微米，优选2到15微米；每涂布一层硫化碲化镉材料的同时都需要在200到800℃下退火0.5到12小时。
(4)在烘干的衬底上涂覆富碲层，在富碲层上沉积背接触层和背电极，完成太阳能电池的制备。
实施例1：
取3mmol氧化镉，5mmol油酸，80g十八烯混合放入500mL三颈瓶中，在氮气环境下加热到240℃直到溶液完全均一，取3mmol硫粉36mmol油胺和100mL十八烯加热到180℃得到的淡黄色溶液，加入上述三颈瓶中，然后把温度设定220℃生长，反应1小时得到硫化镉。
将上述硫化镉产物加入90mL丙酮和10mL甲醇的混合溶液中，用离心的方法提纯3到5次。
取3mmol油酸镉，1mmol油酸，80g十八烯混合放入500mL三颈瓶中，在氮气环境下加热到280℃直到溶液完全均一，取150mmol碲粉36mmoL十八胺和100mL十八烯加热到220℃得到的淡黄色溶液，加入上述三颈瓶中，然后把温度设定260℃生长，反应1小时得到碲化镉。
将上述碲化镉产物加入90mL丙酮和10mL正己烷的混合溶液中，用离心的方法提纯3到5次。
把上述提纯后硫化镉粉末与含有聚偏氟乙烯的正己烷溶液混合，硫化镉和聚偏氟乙烯的比例是1∶0.005，配制的胶体溶液粘度为2000厘泊。
用上述硫化镉胶体溶液涂布在FTO衬底上，厚度控制在30纳米左右，在80℃真空烘箱烘1小时。
在管式炉中，氮气保护下，300℃保持2小时，得到大概20纳米硫化镉薄膜如图2。
用同样的方法制备碲化镉胶体溶液。
把碲化镉胶体溶液涂布在上述制备好的硫化镉薄膜上，厚度控制在0.5微米左右，在80℃真空烘箱烘1小时。
用含有氯化镉的乙醇溶液涂覆在碲化镉薄膜上烘干，400℃退火处理，清洗烘干。
在管式炉中，氮气保护下，在碲粉的环境下，500℃保持2小时，得到硫化镉/碲化镉薄膜如图3。
最后用真空镀膜的方法蒸镀背接触层碲化锌，同样的方法蒸镀镍制背电极。
实施例2：
取3mmol氧化镉，5mmol十六酸，80g石蜡混合放入500mL三颈瓶中，在氮气环境下加热到240℃直到溶液完全均一，取12mmol硫粉36mmol油酸和100mL十八烯和石蜡混合溶液加热到180℃得到的淡黄色溶液，加入上述三颈瓶中，然后把温度设定220℃生长，反应1小时得到硫化镉。
取3mmol十八酸镉，1mmol十六酸，80g石蜡混合放入500mL三颈瓶中，在氮气环境下加热到280℃直到溶液完全均一，取12mmol碲粉36mmoL十八酸和100mL十八烯加热到220℃得到的淡黄色溶液，加入上述三颈瓶中，然后把温度设定260℃生长，反应1小时得到碲化镉。
将上述硫化镉产物加入90mL丙酮和10mL甲醇的混合溶液中，用离心的方法提纯3到5次。
将上述碲化镉产物加入90mL丙酮和10mL甲醇的混合溶液中，用离心的方法提纯3到5次。
把上述提纯后硫化镉粉末与含有聚偏氟乙烯的正己烷溶液混合，硫化镉和聚偏氟乙烯的比例是1∶0.02，配制的胶体溶液粘度为15000厘泊。
用上述硫化镉胶体溶液涂布在FTO衬底上，厚度控制在1500纳米左右，在80℃真空烘箱烘1小时。
在管式炉中，氮气保护下，300℃保持2小时，得到大概1300纳米硫化镉薄膜。
用同样的方法制备碲化镉胶体溶液。
把碲化镉胶体溶液涂布在上述制备好的碲化镉薄膜上，厚度控制在50微米左右，在80℃真空烘箱烘1小时。
用含有氯化镉的乙醇溶液涂覆在碲化镉薄膜上烘干，400℃退火处理，清洗烘干。
在管式炉中，氮气保护下，在碲粉的环境下，500℃保持2小时，得到硫化镉/碲化镉薄膜。
最后用真空镀膜的方法蒸镀背接触层碲化锌，同样的方法蒸镀镍制背电极。
实施例3：
取3mmol硝酸镉，8mmol硫化钠，8mmol柠檬酸，100g蒸馏水混合放入高压反应釜中，在高压反应釜中加热到300℃，反应2小时得到硫化镉。
取3mmol硝酸镉，10mmol碲氢化钠，1mmol草酸，2mmol硼氢化钾，100g蒸馏水混合放入高压反应釜中，在高压反应釜中加热到200℃，反应1小时得到碲化镉。
将上述硫化镉产物加入90mL丙酮和10mL甲醇的混合溶液中，用离心的方法提纯3到5次。
将上述碲化镉产物加入90mL丙酮和10mL甲醇的混合溶液中，用离心的方法提纯3到5次。
把上述提纯后硫化镉粉末与含有聚偏氟乙烯的正己烷溶液混合，硫化镉和聚偏氟乙烯的比例是1∶0.01，配制的胶体溶液粘度为6000厘泊。
用上述硫化镉胶体溶液涂布在FTO衬底上，厚度控制在200纳米左右，在80℃真空烘箱烘1小时。
在管式炉中，氮气保护下，300℃保持2小时，得到大概160纳米硫化镉薄膜。
用同样的方法制备碲化镉胶体溶液。
把碲化镉胶体溶液涂布在上述制备好的硫化镉薄膜上，厚度控制在2微米左右，在80℃真空烘箱烘1小时。
用含有氯化镉的乙醇溶液涂覆在碲化镉薄膜上烘干，400℃退火处理，清洗烘干。
在管式炉中，氮气保护下，在碲粉的环境下，500℃保持2小时，得到硫化镉/碲化镉薄膜。
最后用真空镀膜的方法蒸镀背接触层碲化锌，同样的方法蒸镀镍制背电极。
实施例4：
取3mmol硫酸镉，8mmol硫化钾，8mmol醋酸，100g水混合放入高压反应釜中，在高压反应釜中加热到300℃，反应2小时得到硫化镉。
取3mmol氯化镉，10mmol碲氢化钾，1mmol柠檬酸，5mmol硼氢化钾，100g水混合放入高压反应釜中，在高压反应釜中加热到200℃，反应1小时得到碲化镉。
将上述硫化镉产物加入90mL丙酮和10mL甲醇的混合溶液中，用离心的方法提纯3到5次。
将上述碲化镉产物加入90mL丙酮和10mL甲醇的混合溶液中，用离心的方法提纯3到5次。
把上述提纯后硫化镉粉末与含有聚偏氟乙烯的正己烷溶液混合，硫化镉和聚偏氟乙烯的比例是1∶0.01，配制的胶体溶液粘度为10000厘泊。
用上述硫化镉胶体溶液涂布在FTO衬底上，厚度控制在1000纳米左右，在80℃真空烘箱烘1小时。
在管式炉中，氮气保护下，300℃保持2小时，得到大概800纳米硫化镉薄膜。
用同样的方法制备碲化镉胶体溶液。
把碲化镉胶体溶液涂布在上述制备好的硫化镉薄膜上，厚度控制在15微米左右，在80℃真空烘箱烘1小时。
用含有氯化镉的乙醇溶液涂覆在碲化镉薄膜上烘干，400℃退火处理，清洗烘干。
在管式炉中，氮气保护下，在碲粉的环境下，500℃保持2小时，得到硫化镉/碲化镉薄膜。
最后用真空镀膜的方法蒸镀背接触层碲化锌，同样的方法蒸镀镍制背电极。
Claims (9)
1.一种砷化镉薄膜太阳能电池，其特征是，它包括带有导电层的衬底，在衬底上依次沉积硫化镉层、碲化镉层、富碲层、背接触层和背电极。
2.如权利要求1所述的碲化镉薄膜太阳能电池，其特征是，所述衬底为柔性衬底或硬质衬底，其上设有透明导电层。
3.如权利要求1所述的碲化镉薄膜太阳能电池，其特征是，所述背电极为镍、铝或镍铝合金；所述背接触层为碲化锌或铜参杂的碲化锌。
4.如权利要求1所述的碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，其特征是，它的步骤为：
(1)采用低毒性的化合物镉为镉源，采用硫或硫化物为硫源，采用碲或碲化物为碲源，按照镉源与硫源或碲源摩尔比1∶1到1∶50的比例进行化学反应，制备出粒径均一的硫化镉和碲化镉颗粒；
(2)然后提纯产物，把制备的硫化镉或碲化镉颗粒分布与含有聚偏氟乙烯的低沸点溶剂混合制成胶体溶液；
(3)用涂布的方法在镀有透明导电层的衬底上涂布硫化镉和碲化镉，并进行烘干；
(4)在烘干的衬底上沉积富碲层，然后采用真空镀膜的方法蒸镀背接触层，同样的采用真空镀膜方法蒸镀背电极，完成太阳能电池的制作。
5.如权利要求4所述的碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，其特征是，它的步骤为：所述步骤(1)中，所述硫化镉和碲化镉颗粒采用高温热解法或水热合成法制备，其中镉源是氧化镉、油酸镉、十八酸镉、十六酸镉、氯化镉、硫酸镉、硝酸镉中的任意一种。
6.如权利要求5所述的碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，其特征是，所述硫源在高温热解法中采用长链有机酸或有机胺处理过的硫，处理的方法是长链有机酸或有机胺和硫源的混合溶液在100到300℃高温加热，长链有机酸或有机胺是油酸、油胺、十八酸、十八胺、十六胺、十六酸一种或几种的混合物，碲源采用长链有机酸或有机胺处理过的碲，处理的方法是长链有机酸或有机胺和硫源的混合溶液在100到300℃高温加热，长链有机酸或有机胺为油酸、油胺、十八酸、十八胺、十六胺、十六酸一种或几种的混合物，高温热解法中所用高沸点有机溶剂是石蜡、十六烯、十八烯、十六烷中一种或几种的混合溶剂。
7.如权利要求5所述的碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，其特征是，所述硫源在水热法中采用草酸或柠檬酸或醋酸处理过的硫化钠或硫化钾，处理的方法是草酸或柠檬酸或醋酸和硫源混合在高压反应釜中100-200℃高温高压加热，碲源采用硼氢化钠或硼氢化钾处理过的碲氢化钠或碲氢化钾，处理的方法是硼氢化钠或硼氢化钾和碲源混合在高压反应釜中100-200℃高温高压加热，水热法所用溶剂是蒸馏水。
8.如权利要求4所述的碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，其特征是，所述步骤(2)中，碲化镉按照与聚偏氟乙烯的摩尔比为1∶0.015到1∶0.005，配制粘度为500到15000厘泊的胶体溶液。
9.如权利要求4所述的碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，其特征是，所述步骤(3)中，涂布的顺序是先涂硫化镉再涂碲化镉涂布在镀有透明导电层的衬底上，涂布的硫化镉层厚度在20到1500纳米；碲化镉层厚度在0.5到50微米；每涂布一层材料的同时都需要在200到800℃下退火0.5到12小时。
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| TR01 | Transfer of patent right |