CN103030119B - 用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物及其制备方法，属于薄膜太阳能电池技术领域。本发明提出的用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物是CuIn1-xRxTe2四元化合物；x=0~0.8。首先按照化学计量比称量Cu、In、R、Te四种元素的单质，然后使用非自耗真空电弧炉在惰性气体保护下反复熔炼Cu和In单质，得到成分均匀的Cu-In合金；再用高温真空固态反应将Cu-In合金、R和Te在马弗炉中处理；将获得的产物经冷却、球磨、烘干和分离提纯后即得到用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物。该化合物提高了光电池的光电转化效率，降低了成本；本发明提供的方法操作简单，生产效率高。
Description
技术领域
本发明属于薄膜太阳能电池技术领域，特别涉及一种用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物及其制备方法。
背景技术
在能源危机与环境污染日益严重的情况下，开发新能源显得日益重要，而太阳能具有取之不尽、用之不竭的特点，是最有发展前景的新能源，因此太阳能光伏发电的研究尤为重要。目前而言，市场商业化最成熟的太阳能电池为硅太阳能电池，但是单晶硅太阳能电池由于其吸收系数较低，故要求有一定的厚度，导致成本较高；多晶硅太阳能电池要求的原料纯度低，但材料利用率低；非晶硅太阳能电池存在着光衰退现象，很难做大型电源。以上缺点限制了硅电池成为理想的太阳能电池材料。因此发展低能耗高效率的新型薄膜太阳能电池成为全球学者关注的焦点。
在多种薄膜太阳能电池中，铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池具有层状结构，吸收层材料属于I-Ⅲ-VI族化合物，衬底一般采用玻璃，通常采用真空溅射、蒸发、丝网印刷或者其它非真空的方法，分别沉积多层薄膜，形成P-N结构而构成光电转换器件。从光入射层开始，各层分别为：金属栅状电极、减反射膜、窗口层（ZnO）、过渡层（CdS）、光吸收层（CIGS）、金属背电极（Mo）、玻璃衬底。其中吸收层为电池的主要部分。CIGS化合物具有黄铜矿结构，是直接带隙半导体、吸收系数大（>104cm-1）、禁带宽度可调到太阳能电池材料的最佳禁带宽度（1.45eV），是非常有前途的薄膜电池材料。
近年来，人们对铜铟镓硒薄膜电池的研究，已诸多见报，对其制备工艺与转换效率的关系的探讨居多：CIS薄膜电池的光电转化从上个世纪80年代最初的8%提高到15%左右。文献《19.9%-ef?cient ZnO/CdS/CuInGaSe2 solar cell with 81.2% ?ll factor》（I. Repins, M. A. Contreras, B. Egaas, C. DeHart, J. Scharf, C.L.Perkins, B. To, R. Nou?, Prog. Photovolt.: Res. Appl. 16 （2008） 235–239）报道了CIGS薄膜太阳能电池的转换效率最高达19.9%。文献《Fabrication of CIGS Films by Electrodeposition Method for Photovoltaic Cells》（H. Lee,H. Yoon, C. Ji, D. Lee, JH. Lee, JH. Yun, Y. Kim,J of electronic Materials）中用电沉积方法制造了CIGS薄膜，说明了沉积的薄膜质量与电沉积速率的关系。文献《Propertiesof different temperature annealed Cu（In,Ga）Se2 and Cu（In,Ga）2Se3.5 films prepared by RF sputtering》采用射频溅射法制备了Cu（In,Ga）Se2 和Cu（In,Ga）2Se3.5薄膜，分析了退火温度对薄膜结构、成分以及电性能的影响。
在对CIGS薄膜太阳能电池研究的过程中，也暴露了其缺点：CIGS太阳电池为层状结构，其中CdS过渡层有毒，对环境造成污染；CIGS太阳电池的吸收层为四元化合物，并且Se元素的熔沸点很低（melting point：221℃，boiling point: 685℃），易挥发，在制备过程中材料组成成分难于精确控制，加大了其制造工艺难度，生产成本居高不下，限制了其大规模生产。也有Cu（In,Ga）S2（A. Krysztopa, M.Lgalson, N. Papathanasiou, Persistent phenomena in theelectrical characteristics of solar cells based onCu（In,Ga）S2, Physica Status Solidi C Current Topicsin Solid State Physics: 6（5）: 1291-1294 ）等黄铜矿化合物作为薄膜电池吸收层已见报道。但是依然无法克服其瓶颈使易于加工降低成本。因此寻找新型的低成本、易加工的化合物做为太阳电池的吸收层材料成为亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物及其制备方法。
一种用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物，其特征在于，所述的化合物为一种由铜、铟、稀土（R）元素、碲元素组成的CuIn1-xRxTe2四元化合物；
其中，所述的稀土元素（R）选自：La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的任意一种；x=0~0.8。
一种用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物，即CuIn1-xRxTe2四元化合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）根据化学式CuIn1-xRxTe2按照化学计量比称量Cu、In、R、Te四种元素的单质；其中，R选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的任意一种；x=0~0.8；
（2）使用非自耗真空电弧炉在惰性气体保护下反复熔炼Cu和In单质，得到成分均匀的Cu-In合金；
（3）应用高温真空固态反应把步骤（2）制备的Cu-In合金、R和Te装入充满惰性气体的真空玻璃管中，在马弗炉中于400~600℃的条件下，保温2~6周；
（4）将步骤（3）制得的物质在冷水中冷却，然后用球磨机研磨成粒径为100~10000nm的粉末；
（5）将步骤（4）得到的粉末放入真空箱中烘干，得到粗品；再将粗品经分离提纯后即得到用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物。
其中，
步骤（1）中称量的Cu、In、稀土R、Te的单质的纯度均不低于99.9%；
步骤（2）中非自耗真空电弧炉在熔炼时使用的电压220V，电流不小于40A；
步骤（4）中球磨机的转速为400~600 r/min，球磨时间为6~14h。
本发明的有益效果为：
本发明提供的用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物CuIn1-xRxTe2利用稀土元素的荧光效应，使稀土合金吸收CIGS太阳能电池不能吸收的太阳光，放出可以被CIGS吸收的荧光，提高光电池的光电转化效率；稀土元素最外层电子很容易成为自由电子，对CIGS掺杂形成P型半导体，同时可调节晶格常数，代替原来的过渡层CdS直接形成p-n结，减少了太阳电池的厚度，降低了成本，减少了CdS带来的污染；稀土元素具有透光性，用稀土元素取代Ga，在调节其禁带宽度的同时，改善了其透光性；同时，CIGS半导体材料中Te元素的沸点比Se高，用Te元素取代其中Se元素，使产物易于合成，制备工艺更简单，从而降低了成本；采用非自耗真空电弧炉熔炼能使单质快速熔合；采用机械球磨工艺研磨成CuIn1-xRxTe2粒子，操作简单，生产效率高。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细的说明：
实施例1：
制备太阳能电池光吸收层CuIn0.7Gd0.3Te2化合物的方法包括以下步骤：
（1）根据化学式CuIn0.7Gd0.3Te2按照化学计量比称取Cu、In、Gd、Te四种元素的单质共30g；其中Cu、In、Gd、Te单质的纯度均在99.9%以上；
（2）使用非自耗真空电弧炉在氩气保护下，40A电流、220V电压下，反复熔炼Cu和In单质，得到成分均匀的合金；
（3）应用高温真空固态反应把Cu-In合金、Gd和Te装入充满氩气的真空玻璃管中，在马弗炉中于400℃条件下，保温两周；
（4）取出后在冷水中冷却，在真空手套箱中把化合物放入磨罐中用球磨机进行真空研磨，球磨转速为500r/min，球磨时间为8h；
（5）将产物放入真空箱中烘干，得到粗品，经抽滤分离提纯后的产物即得到用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物CuIn0.7Gd0.3Te2。
实施例2：
制备太阳能电池光吸收层CuIn0.6Eu0.4Te2化合物的方法包括以下步骤：
（1）根据化学式CuIn0.6Eu0.4Te2按照化学计量比称取Cu、In、Eu、Te四种元素的单质共40g；其中Cu、In、Gd、Te单质的纯度均在99.9%以上；
（2）使用非自耗真空电弧炉在氩气保护下，50A电流、220V电压下，反复熔炼Cu和In单质，得到成分均匀的合金；
（3）应用高温真空固态反应把Cu-In合金、Eu和Te装入充满氦气的真空玻璃管中，在马弗炉中于400℃条件下，保温三周；
（4）取出后在冷水中冷却，在真空手套箱中把化合物放入磨罐中用球磨机进行真空研磨，球磨转速为460r/min，球磨时间为10h；
（5）将产物放入真空箱中烘干，得到粗品，经抽滤分离提纯后的产物即得到用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物CuIn0.6Eu0.4Te2。
Claims (5)
1.一种用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物，其特征在于，所述的化合物为一种由铜、铟、稀土元素、碲元素组成的CuIn1-xRxTe2四元化合物；其中，所述的稀土元素选自：La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的任意一种；x为大于0～0.8。
2.权利要求1所述的用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据化学式CuIn1-xRxTe2按照化学计量比称量Cu、In、R、Te四种元素的单质；其中，R选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的任意一种；x为大于0～0.8；
(2)使用非自耗真空电弧炉在惰性气体保护下反复熔炼Cu和In单质，得到成分均匀的Cu-In合金；
(3)应用高温真空固态反应把步骤(2)制备的Cu-In合金、R和Te装入充满惰性气体的真空玻璃管中，在马弗炉中于400～600℃的条件下，保温2～6周；
(4)将步骤(3)制得的物质在冷水中冷却，然后用球磨机研磨成粒径为100～10000nm的粉末；
(5)将步骤(4)得到的粉末放入真空箱中烘干，得到粗品；再将粗品经分离提纯后即得到用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物。
3.根据权利要求2所述的用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物的制备方法，其特征在于，步骤(1)中称量的Cu、In、R、Te的单质的纯度均不低于99.9％。
4.根据权利要求2所述的用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物的制备方法，其特征在于，步骤(2)中非自耗真空电弧炉在熔炼时使用的电压220V，电流不小于40A。
5.根据权利要求2所述的用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物的制备方法，其特征在于，步骤(4)中球磨机的转速为400～600r/min，球磨时间为6～14h。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20150107 |