CN103137768A - 一种双吸收层pin结构光伏器件及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种双吸收层PIN结构光伏器件及制备方法。它是在异质结中加入两种具有不同的带隙宽度材料V-Ga:TiO2（1.6eV）和Cu2O（2.0eV）作为光双吸收层，扩展了产生光生载流子的吸收波段，打破了单级电池的理论极限。其结构为：以金属及透明导电薄膜为器件的底电极，铌掺杂二氧化钛材料为器件的N型层，在其上设置钒镓共掺杂二氧化钛为器件的光吸收层，以Cu2O为器件的P型层，同时也是器件的吸收层，以Pt等金属作为电池的阳极。本发明采用N型重掺杂层Nb:TiO2的设计，可提升自建电场高度，增大开路电压，获得理论转换效率高达34%的器件性能；含双吸收层的三层PIN结构的设计，使光吸收范围覆盖可见光及近红外区，能更有效的吸收太阳光，大幅度提高薄膜太阳能电池转化效率。

Description

一种双吸收层PIN结构光伏器件及制备方法
技术领域
本发明涉及的是薄膜太阳能电池领域，特别是一种双吸收层PIN结构光伏器件及制备方法。
背景技术
能源问题对于实现经济和社会的可持续发展是一个严峻挑战。太阳辐射是地球最大的清洁绿色能量来源。光伏发电是人类解决能源问题的首选方案之一。
目前市场上已成熟或接近成熟的光伏电池包括晶硅电池、非晶硅薄膜电池、CuInGaSe或CdS/CdTe等化合物薄膜电池、染料敏化电池及有机无机复合电池。然而，这些电池在成本、稳定性、生产原料局限性或生产过程的环保性等方面还存在一些尚待解决的问题。全氧化物太阳能电池是近年来提出的新概念，即将P型氧化物和N型氧化物组装成PN结，实现光伏器件性能。金属氧化物如TiO2、ZnO、SnO2、CuO等具有低成本、储量丰富、环境友好、抗氧化性，稳定性好等突出优点，弥补了原有光伏电池材料体系的不足。如果全氧化物太阳能电池的效率能够提高到10%以上，将有可能大规模推广应用。全氧化物太阳能电池可以采用同质PN结和异质PN结两种结构。由于在同一种氧化物材料中很难同时实现N型和P型的有效掺杂。因此氧化物同质PN结光伏器件的研究发展比较缓慢。对于异质结，目前研究最多的是采用P型的CuO或Cu2O为P型层，与N型的TiO2、ZnO或SnO2等组合，形成异质PN结太阳能电池。然而，异质结比同质结界面有更高的要求。1、能带结构匹配，可以形成II型能带
结构，提供载流子分离电场，同时界面处不能有势垒或势阱产生；2、两种异质结材料晶格应该匹配，这样可以减少界面缺陷，降低界面复合率。在异质结中需要具有与太阳能光谱最强积分光强波段相匹配的材料作为吸光层，目前研究的氧化物异质结光伏电池主要采用具有中等带隙的CuO（1.6eV）或Cu2O（2.0eV）作为单一吸光层，理论模拟转化效率为25%，实验上可达到的转化效率为4%，无法达到光伏产业化的要求。为了进一步提高电池效率，需要采用更加有效的吸光层，并优化器件设计，提供能提高光生载流子分离和输运的自建电场。
发明内容
本发明的目的是针对目前传统宽禁带氧化物薄膜太阳能电池对太阳光利用率不高的问题，提出一种双吸收层PIN结构光伏器件及制备方法，以更有效的利用太阳光，提高转化效率。
本发明是这样实现的。它是以重掺杂Nb:TiO2作为N型层，以具有1.6eV带隙宽度的V-Ga:TiO2(钒镓掺杂二氧化钛)材料作异质结中的I型层，与P型Cu2O组成双吸收层，形成一种PIN结构新型无机高效太阳能电池器件。其结构为：以金属及透明导电薄膜为器件的底电极，铌掺杂二氧化钛为电池的N型层，钒镓掺杂二氧化钛为电池的光吸收层，以Cu2O为电池的P型层，以Pt等金属作为电池的阳极。具体结构如附图1所示。异质结中V-Ga:TiO2为N型半导体，和P型Cu2O具有不同的带隙宽度，（V-Ga:TiO2为1.6eV，Cu2O为2.0eV），二者形成的双吸收层异质结扩展了产生光生载流子的吸收波段，也打破了单级电池的理论极限。此外，Nb:TiO2作为N型重掺层起到提升自建电场高度从而增大开路电压的作用。该器件设计不仅满足异质结光伏电池构造的基本要求，而且可以更加有效的吸收太阳光，提高电池转化效率。
器件各层具体参数如下：N型层铌掺杂二氧化钛的掺杂浓度为1.7×1021～1×1020cm-3，厚度为10～50nm，光吸收I层钒镓掺杂二氧化钛的掺杂浓度为1016～1018cm-3，厚度为80～200nm，P型层Cu2O的掺杂浓度1018 ～1020cm-3，厚度300～500nm。
在以上器件中，四方结构的金红石相TiO2晶格常数a=b=0.459nm，与立方相Cu2O的晶格常数a=b=c=0.427nm相比晶格失配率为6%，采用磁控溅射或分子束外延等方法，能够实现晶格外延生长，减少界面的晶格缺陷，有效提高载流子穿过界面传输的输运能力，满足异质结光伏器件晶格匹配的要求。钒镓共掺杂二氧化钛薄膜具体制备方法及相关参数按照申请人拟申请的专利进行（专利名称：一种巨红移高吸收钒镓共掺杂氧化钛薄膜的制备方法，申请号：201310031537.X）。铌掺杂二氧化钛和Cu2O采用磁控溅射或分子束外延方法制备。通过合理调控生长过程中各种参数，得到高质量的薄膜，提高薄膜的光响应和载流子输运特性，改善界面性能，满足光伏电池组装的需求。
器件的能带结构图模拟结果如图2所示，PIN三层器件形成了一个3阶II型能带结构，界面处无势垒或势阱，提供了载流子分离传输的自建电场，满足异质结光伏器件的能带结构基本需求。
V-Ga共掺杂氧化钛光响应范围为350~1300nm，涵盖了可见光及近红外区，吸收系数高达105 cm-3，只需很薄即可吸收90%的太阳光，是理想的太阳能电池光吸收材料。通过器件厚度优化结果显示，中间层V-Ga掺杂氧化钛在厚度为80～150nm（图3）即可充分吸收太阳光，达到最大转化效率。此厚度可大大降低器件的尺寸和太阳能电池工艺成本，满足新型高效超薄太阳能电池的要求。
Nb:TiO2/V-Ga:TiO2/Cu2O三层PIN结构与V-Ga:TiO2/Cu2O两层结构比较得到的器件性能如图4所示。结果显示，相对于两层结构而言，采用含双吸收层的三层PIN结构，器件开路电压增加至1.3eV，转化效率增加至34%。这不仅是由于Nb:TiO2作为N型重掺层的加入，能提升自建电场高度，增大开路电压，而且异质结双吸收层中N型V-Ga:TiO2和P型Cu2O具有不同的带隙宽度(Cu2O带隙宽度为2.0eV, V-Ga:TiO2带隙宽度为1.6eV)，扩展了产生光生载流子的吸收波段，打破了单级电池的理论极限。
附图说明
图1是本发明的所涉及太阳能电池器件的结构图。
图2 本发明涉及的Nb:TiO2/V-Ga:TiO2/Cu2O三层结构和V-Ga:TiO2/Cu2O两层结构器件的能带结构图。
图3是在图1所述结构选择中间层掺杂浓度为1016cm-3，中间V-Ga:TiO2层厚度与转化效率的关系图，显示此太阳能电池只需80~150nm即可实现最高转化效率。
图4是Nb:TiO2/ V-Ga:TiO2/Cu2O三层PIN结构与V-Ga:TiO2/Cu2O两层结构器件在AM1.5光照下的模拟J-V曲线图。结果显示，三层结构拥有更高的转换效率。
具体实施方式
下面用实施例对本发明进一步说明，本实施案例在以本发明为技术方案的前提下实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施案例。
实施例1
采用附图1所示器件结构，选取Nb:TiO2掺杂浓度1.7×1021cm-3，厚度10nm，中间层(V-Ga:TiO2层)掺杂浓度为1016 cm-3，厚度为100nm，Cu2O掺杂浓度1018 cm-3，厚度300nm。
经模拟此参数下电池效率为34.12%，填充因子0.83。
实施例2
采用附图1所示器件结构，选取Nb:TiO2掺杂浓度1.7×1021cm-3，厚度10nm，中间层(V-Ga:TiO2层)掺杂浓度为1018 cm-3，厚度为100nm，Cu2O掺杂浓度1018 cm-3，厚度300nm。
经模拟此参数下电池效率为34.121%，填充因子0.83。
实施例3
采用附图1所示器件结构，选取Nb:TiO2掺杂浓度1.7×1021cm-3，厚度10nm，中间层(V-Ga:TiO2层)掺杂浓度为1012 cm-3，厚度为100nm，Cu2O掺杂浓度1018 cm-3，厚度300nm。
经模拟此参数下电池效率为34.136%，填充因子0.831。
模拟均采用AM1.5的标准太阳光谱作为光源。

Claims (2)

1.一种双吸收层PIN结构光伏器件，它是以重掺杂Nb:TiO2作为N型层，其特征在于它还利用具有1.6eV带隙宽度的钒镓掺杂二氧化钛材料作异质结中的I型层，与P型Cu2O组成双吸收层，形成一种PIN结构新型无机高效太阳能电池器件；其结构为：金属及透明导电材料为器件的底电极，铌掺杂二氧化钛为器件的N型层，在其上设置钒镓共掺二氧化钛作为电池的I型层即光吸收层，以Cu2O为器件的P型层，同时也是器件的吸收层，以Pt金属作为电池的阳极。
2.根据权利要求1所述的一种双吸收层PIN结构光伏器件，其特征在于铌掺杂二氧化钛材料的N型层掺杂浓度为1.7×1021～1×1020cm-3，厚度为10～50nm，I层钒镓掺杂二氧化钛的掺杂浓度为1016～1018cm-3，厚度为80～200nm，Cu2O的P型层掺杂浓度1018 ～1020cm-3，厚度300～500nm。
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