CN104505423A - 一种溶液法加工的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池及其制备方法 - Google Patents

一种溶液法加工的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种溶液法加工的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池及其制备方法。所述太阳电池由下到上依次由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、n型层、光活性层和阳极叠层而成；所述的光活性层厚度为100~700 nm，由一层或多层CdTe纳米晶层组成；所述的n型层为CdSe薄膜。本发明大幅提高碲化镉-硒化镉全无机纳米晶异质结太阳电池的能量转化率，提高器件的开路电压和填充因子，大大延长了器件寿命。本发明制备工艺简单，主要过程均可在普通的通风橱内溶液加工完成，且使用较低温度热处理，大大减少了制作成本。

Description

一种溶液法加工的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明属于光电器件领域，特别涉及一种溶液法加工的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池及其制备方法。
背景技术
二十一世纪以来，化石能源经数十年的大规模开采使用，已濒于枯竭。工业革命至今，温室效应导致地球的平均温度上升了0.3～0.6℃，海平面上升了10～25cm。温室效应气体的主要成分是二氧化碳，而其中的80％是由化石燃料的消耗产生的。可见，人类正遭遇能源短缺和环境恶化的双重危机。发展一种高效清洁的能源，是当今人类亟待解决的问题。开发太阳能，是当今能源开采的必然趋势,因为太阳能正是符合上述条件的绿色能源。太阳能光伏发电，与传统的发电原理相比，具有不经过其他媒介，无转动部件，模块化结构，运行维护简易，建设周期短以及利用荒漠土地和建筑物屋顶资源等优点，是大规模开发利用太阳能的必由之路。
传统的晶硅电池，因其对原料和能源需求较大，成本居高不下，且能量回收期较长，性价比有待提高。近年来，薄膜电池以其成本低廉的绝对优势异军突起，主要包括硅基薄膜太阳电池、无机化合物薄膜电池(铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池、碲化镉(CdTe)太阳电池)和有机聚合物薄膜电池。其中，无机化合物薄膜太阳电池优点是能很好地与太阳光谱匹配、吸收系数较大、能量转换效率高。近期，美国的First Solar实验室制作的碲化镉薄膜太阳电池的能量转化效率达到了20.4％，与多晶硅太阳电池的最高转化效率非常接近。但是，其主要的制备方法是近空间升华法、真空蒸镀法、电化学沉积法、磁控溅射法等，真空或高温环境制约其成本的进一步降低。基于溶液法加工的无机纳米晶太阳电池，可以通过引入卷对卷溶液加工法，实现工业上低成本、大面积、轻重量、可弯曲薄膜太阳电池的制备，且能保持无机半导体材料良好的太阳光谱响应、载流子传输性能以及良好的稳定性的优点。纳米晶太阳电池是当前研究的一个热点。不仅如此，纳米晶材料可以通过调节晶粒的尺寸大小来进行带隙调控，实现单一材料多种带隙，这是聚合物材料无法比拟的优势。
2005年，Alivisatos(I.Gur,N.A.Fromer,M.L.Geier,A.P.Alivisatos,Science,2005,310,462.)研究小组开展了基于旋涂方法制备无机纳米晶太阳电池的研究。主要是借鉴了有机聚 合物溶液成膜的方法，采用溶剂热法制备出CdTe和CdSe纳米晶分别作为给体和受体材料，采用旋涂的方法成功制备了结构为ITO/CdTe(100nm)/CdSe(100nm)/Al的全无机纳米晶太阳电池。其中CdTe作为给体层主要吸收太阳能产生的电子空穴对，CdSe作为受体层，用于传输电子，形成了典型的二极管器件结构。他们通过烧结处理改善晶面，减少缺陷态密度，从而减小串联电阻，增大开路电压。最终，在标准AM1.5G模拟太阳照射下，最高短路电流13.2mA/cm2,开路电压0.45V，填充因子0.49，器件转化效率达到了2.9％。其实,还可以通过减小CdTe和CdSe的失配率来进一步提高开路电压，从而提高光电转化效率。至此，溶液法加工全无机纳米晶太阳电池被广泛关注。
2010年，Anderson(J.D.Olson,Y.W.Rodriguez,L.D.Yang,G.B.Alers,S.A.Carter,Appl.Phys.Lett.,2010,96,242103.)研究小组开发了非铝金属电极，并研究了CdTe、CdSe层厚度对器件性能的影响，发现通过增加CdTe层的厚度可以获得较好的能量转化效率，但最好器件的转化效率也仅为2.6％。主要原因是薄膜的平整度不理想且仍存在大量的晶界和缺陷态，另外晶粒的尺寸也没有得到很好的控制。同年，Olson(J.D.Olson,Y.W.Rodriguez,L.D.Yang,G.B.Alers,S.A.Carter,Appl.Phys.Lett.,2010,96,242103.)研究小组制备了CdTe/Al肖特基太阳电池，其效率达到5％。他们指出CdCl2热处理使得CdTe晶粒长大，通过优化热处理条件消除量子限域效应，增强了对太阳光的吸收。但是这种肖特基太阳电池本身的结构存在一些问题限制了其效率的提高。即光是从阳极(透明电极ITO)一端射入的，而肖特基结在阴极端，电子传输过程中发生复合，扩散长度有限，不能全部被吸收。
2011年，Jasieniak(J.Jasieniak,B.I.MacDonald,S.E.Watkins,P.Mulvaney,Nano Lett.,2011,11,2856.)研究小组采用了全溶液层层叠加的方法，制备出CdTe/ZnO纳米晶太阳能电池，能量转换效率达6.9％。因热处理过程中会出现较大的应力，破坏薄膜晶体的周期性，采用layer-by-layer方法可以通过降低每一层的膜厚而减小应力的破坏，此外，对于上一层产生的缺陷，下一层能够起到很好的补偿作用，从而总体上提高了晶体层的质量。
2013年，Donghuan Qin(Donghuan Qin,Yiyao Tian,Yijie Zhang,Yizhao Lin,Kuo Gao,J Nanopart Res,(2013)15:2053)研究小组采用层层旋涂烧结加工法，首次成功制备出了ITO/ZnO-In/CdS/CdTe/MoOx/Ag倒置结构的无机纳米晶太阳电池，其效率达到了3.73％，是目前报道中同类器件的最高水平。他们采用倒置结构电池的设计，减小了光在器件里传播的路程，使入射光离p-n结更近，有利于载流子的收集，提高了对光的吸收效率。由溶胶法制备的ZnO-In，经旋涂烧结形成致密平滑的界面层，保证了CdS层铺展的平整均一，从而有效 避免了CdTe层与ITO的直接接触造成较大的漏电流，提高了器件的性能。但是，器件在短波长范围的响应不佳，这是由于窗口层CdS对短波长的光响应较差，降低了活性层对短波长的利用，从而制约了转化效率的提高。
2014年，Troy K.Townsend(Troy K.Townsend，Edward E.Foos.Phys.Chem.Chem.Phys,2014,16,16458)研究小组用溶液法成功制备了结构为ITO/CdSe/CdTe/Au的全溶液无机纳米晶太阳电池，其中采用全溶液法加工的ITO和Au电极的电池转化效率为1.7％，将溶液法制备的ITO电极换成商业的ITO电极转化效率为2.0％，将溶液法制备Au电极换成蒸镀法Au电极转化效率为1.3％，同时采用商业ITO电极和蒸镀法Au电极转化效率达到了3.8％。相对块体材料而言，纳米晶通常有较低的熔点，因而可以使用相对低的热处理温度，使利用ITO做电池的电极成为可能。虽然低功函数金属可以跟n型层形成欧姆接触，但是容易被氧化，影响器件的寿命，因而通常的高效电池均采用倒置结构，以增强器件的稳定性。该结构器件的效率并不太理想，主要是CdSe直接沉积在ITO上，缺陷会较多，容易造成器件的短路，因而器件的开路电压和填充因子都比较低，影响了器件的能量转换效率。
对于正装碲化镉纳米晶异质结太阳电池而言，其器件结构由玻璃衬底、阳极及其缓冲层、光活性层和阴极依次层叠构成。这种活性层在ITO衬底上，n型层在最外层,存在一定的问题：活性层CdTe直接旋涂在ITO上，而光是从ITO的一侧入射，因此者p-n结处于远离入射光的另一侧，对于载流子的分离和传输极为不利，光生载流子需要经过比较厚的活性层才能到达结区，在传输过程中就不可避免产生复合，从而降低了光吸收效率；另一方面，阴极主要采用Al等低功函数金属，这种金属容易氧化，且通常需要400℃温度热处理，而ITO在400℃高温下性能会下降，器件的稳定性就难以得到保证。寻找一种低温热处理方式是当务之急。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种采用倒置结构的CdTe/CdSe异质结高效太阳电池。
本发明的另一个目的是提供一种溶液法制备上述太阳电池的方法。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种CdTe纳米晶异质结太阳电池，所述太阳电池由下到上依次由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、n型层、光活性层和阳极叠层而成；所述的光活性层厚度为100～700nm，由一层或多层CdTe纳米晶层组成；所述的n型层为CdSe薄膜。
相比于传统的太阳电池由玻璃衬底、阳极及其缓冲层、光活性层、阳极组成，本发明的 太阳电池为倒置结构，还增加了阴极界面层。所述倒置结构能够保证异质结区靠近入射光入射面，保证了载流子的高效收集和分离。
进一步优化的，所述的阴极界面层指ZnO薄膜，厚度为20～100 nm。
进一步优化的，所述的光活性层为CdTe层。所述光活性层的厚度为100～700nm，优选为400～600nm，更优选为500nm，由一层或多层CdTe纳米晶层组成。
进一步优化的，所述阴极指氧化铟锡导电膜(ITO)，所述阴极的厚度为80～200nm。所述的n型层厚度为40～150nm；所述的阳极为Au，其厚度为80～200nm。
进一步优化的，所述的n型层为CdSe层。CdSe层采用将CdSe纳米晶溶解于有机溶剂，得到分散液，将上述分散液经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式沉积在阴极界面层上得到，其厚度为40nm～150nm。
进一步优化的，所述的阳极为Au，其厚度为80nm。
进一步优化的，所述的光活性层由以下方法制备得到：将CdTe纳米晶溶于有机溶剂，得到纳米晶分散液，将所述纳米晶分散液旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式沉积在n型层上，得到CdTe纳米晶层，形成光活性层；所述的有机溶剂指极性有机溶剂，包括正丙醇、吡啶、苯甲醇或体积分数为1:1的吡啶/正丙醇混合溶液；所述纳米晶分散液的浓度为0.01～1g/mL。所述的CdTe纳米晶采用层层烧结处理法，即每次沉积成膜后,都需要对膜进行化学处理以及热处理；所述的化学处理以及热处理为：将所得的膜于加热台上50～300℃加热1～5min去除有机溶剂，浸入CdCl2饱和甲醇溶液1～3s，放在加热台上300～400℃热处理5～60s，浸入甲醇中漂洗1～10s，吹干。
进一步优化的，所述的n型层由以下方法制备得到：将CdSe纳米晶溶于有机溶剂，得到纳米晶分散液，将上述分散液经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式沉积在阴极界面层上，得到CdSe纳米晶层，形成n型层；所述的有机溶剂指极性有机溶剂，包括正丙醇、吡啶、苯甲醇或体积分数为1:1的吡啶/正丙醇混合溶液；所述纳米晶分散液的浓度为0.01～1g/mL。所述的CdSe纳米晶采用层层烧结处理法，即沉积成膜后,对膜进行热处理，所述的热处理为：将膜放在加热台上100～200℃加热1～15min，再在加热台上300～400℃热处理10～60s，最后放在加热台上320～370℃热处理1～50min。
进一步优化的，所述阴极界面层通过溶液法加工得到，包含以下具体步骤：将前驱体溶解在有机溶剂中，得到溶胶；将所述溶胶采用旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、 印刷或喷墨打印方式沉积在阴极上，形成阴极界面层。所述溶胶的浓度为0.01～1g/mL；所述的溶胶的制备步骤为:将醋酸锌和乙醇胺按照锌原子与乙醇胺分子1:1的比例溶解于乙二醇甲醚中，再进行超声分散。所述的有机溶剂指乙醇胺和乙二醇甲醚混合溶液。由于CdSe在ITO上直接沉积，很难获得光滑均匀的薄膜，因而加入ZnO层，将可以保证CdSe薄膜的均匀致密度无孔，防止上层的CdTe直接与ITO接触，减少漏电流的产生，最终提高器件的性能。
进一步优化的，所述光活性层的厚度通过调节转速以及控制CdTe纳米晶分散液的浓度来控制。
为了提高光活层的质量，在旋涂结束后，需要对薄膜进行热处理以及化学处理。
本发明利用CdTe-CdSe作为异质结，该异质结的晶格失配率很小，热膨胀系数相近，很好地改善了界面，ZnO作为缓冲层的存在，使原本收集空穴的ITO转而收集电子，降低了电极界面的粗糙度，使电池性能得到很大的改善。
CdTe纳米晶参照文献(S.Sun,H.M.Liu,Y.P.Gao,D.H.Qin,J.Materials.Chemistry.,2012,517,6853–6856.)制备得到。
上述CdTe纳米晶异质结太阳电池的制备方法，包含以下具体步骤：
①将附着有阴极的玻璃衬底清洗，干燥；
②采用溶液法在阴极表面沉积阴极界面层；
③采用溶液法在阴极界面层上沉积n型层；
④采用溶液法在n型层上沉积光活性层；
⑤采用蒸镀法在光活性层上蒸镀阳极；即得高效CdTe/CdSe纳米晶异质结太阳电池。
在阴极基片上依次制备的阴极界面层、CdSe薄膜、CdTe薄膜均在常规的化学通风厨中进行，不需要任何的气体保护或者特别洁净措施。
本发明太阳电池采用倒置结构，保证结区靠近入射光入射面，保证了载流子的高效收集和分离；阳极采用高功函数Au作为空穴收集电极，保证阳极的稳定性；采用溶液加工技术，制备得到CdTe超薄化层等，简化制备工艺。引入ZnO界面层，使CdSe薄膜均匀、致密、无针孔，防止上层的CdTe直接与ITO接触，减少漏电流的产生，最终提高器件的性能。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明太阳电池采用倒置结构，使结区靠近入射光入射面，保证了载流子的高效收集和分离，可大幅提高倒置结构的碲化镉纳米晶异质结太阳电池的性能，能量转换效率达到 5.81％，是目前文献报导的同类器件的最高水平。
(2)阳极采用高功函数Au作为空穴收集电极，防止了金属电极被氧化，保证阳极的稳定性，增强了纳米晶太阳电池的稳定性，使用寿命大大增加。
(3)采用对太阳光谱(波长处于250～2400nm)具有80％以上的透射率的薄膜作为阴极电极，有利于活性层对光的吸收。
(4)本发明的太阳电池采用溶液加工纳米晶技术，采用层层烧结法制备得到超薄且高品质的膜层，实现太阳电池的超薄化。
(5)本发明用CdSe做n型层，跟CdTe的晶格结构相近，有很好的匹配性，失配率很低，形成良好的接触面。
(6)本发明对纳米晶材料进行较低温度的热处理，在不破坏ITO性能情况下，增大了晶粒尺寸，降低了缺陷态密度，使器件的性能大大提升。
(7)本发明太阳电池的制备工艺简单、可进一步发展为卷对卷溶液加工法，以节省原料，容易实现大规模生产。
附图说明
图1为本发明提供的倒置结构的碲化镉纳米晶异质结太阳电池的结构示意图。
具体实施方式
本发明中所述电池由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、n型层、光活性层、阳极依次叠层而成(如图1所示)。在阴极和n型层之间加入阴极界面层以及采用了层层烧结工艺制备出倒置结构CdTe/CdSe异质结，所述阴极界面层是指ZnO。阴极界面层不仅作为电子传输层，还增强了器件的电学性能，CdSe薄膜生长在光滑无针孔的阴极界面层上保证其铺展的平整均一性，从而防止上层CdTe直接与ZnO接触而降低器件的性能。由于ZnO层的存在，原本收集空穴的ITO变为收集电子，入射光进入p-n结的光程缩短，有利于提高载流子的分离效率。另外，倒置结构由于采用高功函数的金属(金)而使得器件的性能更加稳定。所述倒置结构的CdTe纳米晶活性层、CdSe纳米晶n型层分别通过溶液加工法制备，并在合适条件下进行CdCl2热处理，可以增大晶粒尺寸，减少晶界从而降低缺陷态密度，从而提升器件性能。阴极界面层ZnO通过将前驱体材料溶于有机溶剂，制成溶胶，而后经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式沉积在ITO上形成阴极界面层；将CdSe纳米晶溶于有机溶剂， 获得纳米晶分散液，而后经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式沉积在ZnO层上并用CdCl2溶液热处理，形成n型层；将CdTe纳米晶溶于有机溶剂，获得纳米晶分散液，而后经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式沉积在CdSe薄膜上，并通过层层CdCl2烧结的方法，获得光活性层；最后将阳极材料通过蒸镀方式沉积在CdTe薄膜上，形成阳极。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。一、倒置结构CdTe/CdSe纳米晶异质结太阳电池的制备：
(1)ITO导电玻璃衬底的清洗：(规格为15毫米×15毫米，ITO的厚度约为130nm，其方块电阻约为20欧姆/方块，从珠海凯为电子元器件有限公司购买)将基片依次在丙酮、半导体专用洗涤剂、去离子水、异丙醇超声处理10min，清洁ITO的衬底表面，随后将ITO片放入恒温烘箱中80℃下静置4h烘干。
(2)配置ZnO溶胶：将二水合醋酸锌(3.2925g)、乙醇胺(0.905ml)、乙二醇甲醚(30ml)装入三口瓶中，密封。保持80℃油浴加热2小时。(以上均为分析纯药品，从广州芊荟化学玻璃有限公司购买)，用0.45μm的过滤器过滤，装入玻璃瓶并充入少许氮气，即得到ZnO溶胶。
(3)阴极界面层的制备：将ITO片置于匀胶机(KW-4A型)上，滴加步骤(2)制备得到的ZnO溶胶，经高速旋涂(3000rpm，时间20s)，刮掉阴极位置的ZnO层，放于加热台上，先200℃下热处理10min，再400℃加热10min，冷却至室温，分别置于丙酮和异丙醇中超声10min(超声功率为1000W)，氮气枪吹干，得到厚度为40nm的阴极界面层。
(4)n型层的制备： 
①CdSe纳米晶的制备：称取十四酸镉(1.6mmol，906mg)，氧化三辛基磷2.35g，十四酸(肉豆蔻酸，C13H26COOH，92mg)加入50ml的三口瓶(瓶口分别装有温度计、冷凝管、导气管)中，在氮气保护下加热至240℃，此时十四酸镉已分解(分解温度为228℃)，呈现淡黄色溶液。在此温度下保持5min，将三辛基磷-硒(硒的浓度为0.8mmol/mL，取1ml)迅速注入到反应体系(其中三辛基磷、氧化三辛基磷均购自阿拉丁化学试剂公司，其余购自芊荟化学玻璃有限公司)，整个反应在240℃下持续30min；然后通过甲醇清洗3次，离心分离产物；将产物加入20mL吡啶溶液中，100℃下、氮气保护，回流10h，回流结束后加 入60mL正己烷溶剂，离心分离，最终产物用氮气枪吹干，得到CdSe纳米晶。
②将上述制备得到的CdSe纳米晶溶解在体积比为1:1的正丙醇/吡啶的混合溶剂，浓度为0.04g/mL，超声2h(超声功率为1000W)，通过0.45μm(有机系)的过滤器过滤。
将步骤(3)处理的基片置于匀胶机(KW-4A型)上，滴加上述CdSe纳米晶分散液，高速旋涂(速率为2000rpm)，放在加热台上150℃加热10min除去有机溶剂，刮掉阴极位置的纳米晶层，放在加热台上，340℃热处理40s，以上步骤完成后放在加热台上350℃热处理30min，得到厚度为60nm的CdSe纳米晶层。制得单层CdSe纳米晶作为n型层。
(5)光活性层的制备：
①CdTe纳米晶的制备：参照文献(S.Sun,H.M.Liu,Y.P.Gao,D.H.Qin,J.Materials.Chemistry.,2012,517,6853–6856.)，具体制备过程如下：称取十四酸镉(1.6mmol，906mg)，氧化三辛基磷2.35g，十四酸(肉豆蔻酸，C13H26COOH，92mg)加入50ml的三口瓶(瓶口分别装有温度计、冷凝管、导气管)中，在氮气保护下加热至240℃，此时十四酸镉已分解(分解温度为228℃)，呈现淡黄色溶液。在此温度下保持5min，将三辛基磷-碲(碲的浓度为0.8mmol/mL，取1ml)迅速注入到反应体系(其中三辛基磷、氧化三辛基磷均购自阿拉丁化学试剂公司，其余购自芊荟化学玻璃有限公司)，整个反应在240℃下持续30min；然后通过甲醇清洗3次，离心分离产物；将产物加入20mL吡啶溶液中，100℃下、氮气保护，回流10h，回流结束后加入60mL正己烷溶剂，离心分离，最终产物用氮气枪吹干，得到CdTe纳米晶。
②将上述制备得到的CdTe纳米晶溶解在体积比为1:1的正丙醇/吡啶的混合溶剂，浓度为0.04g/mL，超声2h(超声功率为1000W)，通过0.45m(有机系)的过滤器过滤。
将步骤(4)处理的基片置于匀胶机(KW-4A型)上，滴加上述CdTe纳米晶溶液，高速旋涂(速率为1000rpm)，放在加热台上150℃加热3min除去有机溶剂，刮掉阴极位置的纳米晶层，浸入150℃的CdCl2的饱和甲醇溶液中10s，再浸入120℃的正丙醇溶液中，以去除多余的CdCl2，用氮气吹干，放在350℃加热台上，热处理40s，再放在150℃加热台处理2min，浸入120℃甲醇中漂洗3～5s，氮气枪吹干，用340℃处理10min，得到厚度为100nm的CdTe纳米晶层。重复旋涂5层，得到多层CdTe纳米晶。
(6)阳极的蒸镀：将上述基片真空镀腔中，3×10－4Pa的高真空下，蒸镀Au(80nm)，得到阳极。
将所得器件进行封装处理，得到结构为ITO/ZnO/CdSe/CdTe/Au的倒置结构无机薄膜太阳电池(结构示意图见图1)。
二、CdTe纳米晶异质结太阳电池的性能测定：
太阳电池器件性能参数的测定要以太阳光为测试标准。实验室中用AM 1.5G测量标准的辐射照度是1000W/m2。当用太阳模拟光进行纳米晶太阳电池性能测试时，首先要用标准电池判断光源是否符合AM1.5G的辐照度。标准硅太阳电池经过校准：在AM 1.5G标准光谱下，即1000W/m2的辐射照度的光照射下，得到的短路电流为125mA。确定辐照强度后，即可对器件进行测试。用太阳模拟光进行太阳电池性能测试，太阳电池的能量转换效率为：
η = P MAX P in = ( IV ) MAX / S P in × 100 ( % )
其中PMAX为最大输出功率(单位：mW)，Pin为辐射照度(单位：mW/cm2)，S为器件的有效面积(单位：cm2)。测量聚合物本体异质结太阳电池性能的设备装置如表1所示。
表1 设备装置列表
以下实施例的制备方法与上述方法一致，只是改变各个层的厚度满足下述验证需要。
实施例1
不同CdSe层厚度对CdTe纳米晶电池的影响。
分别选用30nm、60nm、90nm、120nm、150nm厚度的CdSe纳米晶层作为n型层，ZnO定为40nm，CdTe层定为500nm，CdCl2烧结温度定为340℃，制备CdTe纳米晶太阳电池。表2比较了不同CdSe层厚度的器件结果。
表2 CdSe层厚对CdTe纳米晶太阳电池性能影响
表2比较了CdSe层厚对器件性能的影响。多次的实验结果表明，当CdSe纳米晶窗口层的厚度为60～90nm时器件的开路电压上升明显，性能明显提升。此厚度下，既保证了有足够的光可以穿过CdSe层到达光活性区，又保证了薄膜的平滑无孔，避免CdTe直接接触到ZnO层，造成开路电压减小。这表明本发明提出的倒置结构具有改善器件性能的重要作用。
实施例2
不同CdTe层厚度对CdTe纳米晶电池的影响。
采用具体实施方法，制备倒置结构为ITO/ZnO/CdSe/CdTe/Au倒置结构器件，其中CdSe层厚度为60nm，CdTe层厚度分别为200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm，ZnO层 厚度为40nm，CdCl2烧结温度为340℃。检测每个器件的短路电流密度(mA/cm2)、开路电压(V)、填充因子(％)、能量转换效率(％)。表3比较了不同CdTe层厚度的器件的结果：
表3 CdTe层厚度对CdTe纳米晶太阳电池性能影响
由表3可以看出，在CdTe层厚度为500nm左右时，能量转化效率最高，此厚度下，即保证了一定厚度的活性层对光的充分吸收，又避免了因为活性层太厚引起串联电阻增加，导致开路电压减小。
实施例3
不同热处理温度对CdTe纳米晶太阳电池性能影响。
采用具体实施方法，制备倒置结构为ITO/ZnO/CdSe/CdTe/Au倒置结构器件，其中CdTe活性层厚度为500nm，CdSe层厚度为60nm，ZnO阴极界面层厚度为40nm，通过改变CdTe层的热处理温度，来对其性能进行测定，结果见表4:
表4 不同热处理温度对CdTe纳米晶太阳电池性能影响
由表4可以看出，在烧结温度为320～350℃时，CdTe纳米晶太阳电池的效率较高，最高达到5.81％，是目前报道中同类器件的最高水平。说明在此温度下，晶粒可以得到很好地生长，有效消除了晶界，改善了界面态，从而明显减小了串联电阻，使开路电压增大，填充因子大幅度提高。
实施例4
不同热处理时间对CdTe纳米晶太阳电池性能影响。
采用具体实施方法，制备倒置结构为ITO/ZnO/CdSe/CdTe/Au倒置结构器件，其中CdTe活性层厚度为500nm，CdSe层厚度为60nm，ZnO阴极界面层厚度为40nm，热处理温度为340℃，通过改变CdTe层的热处理时间，来对其性能进行测定，结果见表5：
表5 热处理时间对CdTe太阳电池的影响
由上表可以看出，热处理时间为10min左右时，电池的转化效率最高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种溶液法加工的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池，其特征在于，所述太阳电池由下到上依次由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、n型层、光活性层和阳极叠层而成；所述的光活性层厚度为100~700 nm，由一层或多层CdTe纳米晶层组成；所述的n型层为CdSe薄膜。
2.根据权利要求1所述的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池，其特征在于：所述的阴极界面层指ZnO薄膜，厚度为20~100 nm。
3.根据权利要求1所述的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池，其特征在于：所述阴极指氧化铟锡导电膜，厚度为80~200 nm；所述的n型层厚度为40~150 nm；所述的阳极为Au，其厚度为80~200nm。
4.根据权利要求1所述的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池，其特征在于：所述的光活性层由以下方法制备得到：将CdTe纳米晶溶于有机溶剂，得到纳米晶分散液，将所述纳米晶分散液旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式沉积在n型层上，得到CdTe纳米晶层，形成光活性层；所述的有机溶剂指极性有机溶剂，包括正丙醇、吡啶、苯甲醇或体积分数为1:1的吡啶/正丙醇混合溶液；所述纳米晶分散液的浓度为0.01~1 g/mL。
5.根据权利要求4所述的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池，其特征在于：所述的CdTe纳米晶采用层层烧结处理法，即每次沉积成膜后,都需要对膜进行化学处理以及热处理；所述的化学处理以及热处理为：将所得的膜于加热台上50~300℃加热1~5min去除有机溶剂，浸入CdCl2饱和甲醇溶液1~3s，放在加热台上300~400℃热处理5~60s，浸入甲醇中漂洗1~10s，吹干。
6.根据权利要求1所述的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池，其特征在于：所述的n型层由以下方法制备得到：将CdSe纳米晶溶于有机溶剂，得到纳米晶分散液，将上述分散液经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式沉积在阴极界面层上，得到CdSe纳米晶层，形成n型层；所述的有机溶剂指极性有机溶剂，包括正丙醇、吡啶、苯甲醇或体积分数为1:1的吡啶/正丙醇混合溶液；所述纳米晶分散液的浓度为0.01~1 g/mL。
7.根据权利要求6所述的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池，其特征在于：所述的CdSe纳米晶采用层层烧结处理法，即沉积成膜后,对膜进行热处理，所述的热处理为：将膜放在加热台上100~200 ℃加热1~15min，再在加热台上300~400 ℃热处理10~60 s，最后放在加热台上320~370 ℃热处理1~50 min。
8.根据权利要求2所述的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池，其特征在于：所述阴极界面层通过溶液法加工得到，包含以下具体步骤：将前驱体溶解在有机溶剂中，得到溶胶；将所述溶胶采用旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式沉积在阴极上，形成阴极界面层。
9.根据权利要求8所述的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池，其特征在于：所述溶胶的浓度为0.01~1 g/mL；所述的溶胶的制备步骤为:将醋酸锌和乙醇胺按照锌原子与乙醇胺分子1:1的比例溶解于乙二醇甲醚中，再进行超声分散。
10.制备权利要求1~9任一项所述溶液法加工倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池的方法，其特征在于，包含以下具体步骤：
①将附着有阴极的玻璃衬底清洗，干燥；
②采用溶液法在阴极表面沉积阴极界面层；
③采用溶液法在阴极界面层上沉积n型层；
④采用溶液法在n型层上沉积光活性层；
⑤采用蒸镀法在光活性层上蒸镀阳极；即得高效CdTe/CdSe纳米晶异质结太阳电池。
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