CN108551312A - 一种具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池及其制备方法，(1)将用于制造柔性模具的液体橡胶制备透明的可拉伸基底；(2)通过溅射的方法利用ITO靶材在可拉伸基底上沉积一层薄膜作为导电电极；(3)采用水浴法在导电电极表面上沉积一层CdS作为电池的N型缓冲层；(4)采用溅射的方法在CdS表面上沉积一层Sb2Se3薄膜，得到Sb2Se3光吸收层，再采用蒸镀的方法在吸收层上形成对电极，得到可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池。本发明首次将Sb2Se3薄膜太阳能电池应用于可拉伸基底上，且降低了制备温度及制备成本，拓宽了电池的应用范围，灵活性较高。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
近年来，随着人类对能源需求量的不断扩大及化石能源等不可再生资源的不断消耗，导致人们对可再生能源的利用与开发显得越来越紧迫，所以太阳能这种天然的资源不断得到了人们的重视。其中，太阳能光伏发电能够将辐射到地面上的太阳能通过太阳能电池等光伏器件直接将光能转换为电能，使得太阳能电池已经成为最安全、最环保和最具潜力的竞争者。
目前为止，制备工艺最为成熟的为硅电池，但是由于硅的吸光系数低等因素制约了薄膜电池的发展，目前薄膜电池中的研究热点包括CIGS、CZTS和钙钛矿等，但是存在CIGS成本高；CZTS组分控制困难；钙钛矿电池环境不稳定等缺点，限制了其发展。
近年来，光电器件的微型化、柔性化已经成为未来发展的趋势，同时由于不断涌现出各种新型的可穿戴、可折叠式智能设备，使得人们对器件的可拉伸性及能源的存储和收集方式有了更高的要求，所以促进了人们对可拉伸柔性便携式光伏器件的研究。虽然薄膜电池与硅电池相比其一大优点是易于实现柔性化，但是现有制备的薄膜电池的厚度较大，基本厚度都达到1μm以上，延展性较低，可拉伸程度较低。同时，现有主流的制备Sb2Se3薄膜太阳能电池的过程涉及高温工艺，无法实现可拉伸制备，限制了可拉伸电子器件的集成和发展。
发明内容
针对现有技术存在的缺点或改进需求，基于现有可拉伸电子器件的制备特点，本发明提供了一种具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池及制备方法。
本发明提供的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
(1)提供可拉伸导电基底，将液体橡胶倒入特制的塑料凹槽中，然后在室温条件下静置约45分钟左右，制备拉伸性能好的透明可拉伸基底。
其中，得到的橡胶衬底为对苯二甲酸丁二酯(PBAT)膜。该橡胶具有较好的延展性也有较好的耐热性和冲击性能；此外，还具有优良的生物降解性，有利于电池废弃之后的处理，能大大减少对环境的污染。
(2)利用ITO靶材在可拉伸基底上通过溅射的方法沉积了一层导电电极，其要求是：Ar:O2＝50:0.5；工作压力为0.7Pa；沉积功率为60-80W；沉积时间为20-40min。
(3)以硫酸镉为镉源，以硫脲为硫源，采用氨水来调节反应溶液的PH值(9-10)，通过水浴法在步骤(2)得到的ITO导电电极上沉积CdS以形成缓冲层；
(4)采用双靶共溅射的方法在步骤(3)形成的缓冲层的表面上沉积Sb2Se3薄膜，同时在溅射过程中对基底进行加热，由此得到Sb2Se3光吸收层；
采用双靶溅射能够大大降低Se空位的出现，进而提高薄膜质量，且不涉及高温工艺。
(5)最后采用蒸镀的方法在步骤(4)得到的Sb2Se3光吸收层上形成对电极，由此得到具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池。
进一步地，步骤(1)中的可拉伸基底是由用于制造柔性模具的液体橡胶在常温常压条件下制备而成。
进一步地，步骤(3)中水浴加热温度为60～80℃，水浴反应时间为15～45min。
进一步地，步骤(4)中的双靶共溅射操作是采用Sb2Se3靶与Se靶共溅射制备了Sb2Se3薄膜。
进一步地，步骤(4)中溅射的功率分别为：Sb2Se3靶的功率为20-30W，Se靶的功率为10-12W，沉积时间为35min。
由于是在可拉伸基底上沉积，与玻璃基底不同，粗糙度较大，在溅射过程中需要采用较小的功率，以减少对基底及缓冲层的损伤。
进一步地，步骤(4)中通过溅射沉积Sb2Se3薄膜时采用的基底温度为
250-300℃。
为实现上述目的，本发明还提供了一种具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池，所述的可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池包括可拉伸基底，ITO作为导电电极，在所述导电电极上的N型缓冲层材料，在所述缓冲层材料上的Sb2Se3光吸收层，在所述Sb2Se3光吸收层材料上的对电极。
进一步地，所述对电极是由银、铝或者金制成的。
进一步地，所述缓冲层的厚度为50-80nm，所述Sb2Se3光吸收层的厚度为400-500nm，所述对电极的厚度为70-120nm。
本发明具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池的制备方法具有成本低、组分单一、制备工艺简单，制得的电池具有吸光性能优良和稳定性高等一系列优点，从而拓宽了适用范围。
本发明提供的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池及其制备方法具有的主要技术效果如下所示：
1.步骤(1)中制备的可拉伸基底具有很好的延展性和耐高温性，承受温度可达到300℃，由于材料的廉价性，极大的降低了器件成本；
2.步骤(4)中通过双靶共溅制备薄膜时的基底温度为250～300℃，降低了制备温度，实现了可拉伸Sb2Se3电池器件的低温制备；
3.步骤(4)中通过双靶共溅制备的Sb2Se3薄膜与其他制备方法相比，大大降低了Se空位缺陷的出现，从而提高了薄膜质量。
4.本发明制备的Sb2Se3材料的光吸收系数大于105cm-1，只需要较薄的吸收层便可以吸收几乎全部的太阳光，有利于该材料应用于可拉伸电池上。
附图说明
图1是本发明提供的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池的制备方法的流程示意图；
图2是实施例1制得的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池的样品图；
图3是本发明具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池的结构示意图；
图4是实施例1制备的Sb2Se3半导体薄膜的XRD图；
图5是实施例1制备的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池的效率曲线；
图6是实施例1双靶共溅制备的Sb2Se3薄膜的表面SEM；
图7是对比实施例1单靶溅射制备的Sb2Se3薄膜的表面SEM；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，但是这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。
请参阅图1，本发明在沉积Sb2Se3光吸收层的操作中，采用双靶共溅的操作流程，大大降低了Se空位缺陷的存在，从而提高了薄膜的成膜质量，同时采用较低的基底温度，为Sb2Se3薄膜电池的柔性化发展提供了一个很好的方法。
缓冲层的厚度为50～80nm，Sb2Se3光吸收层的厚度为400～500nm，对电极的厚度为70～120nm。
本实施方式中，制备Sb2Se3光吸收层使用的靶材是Sb2Se3靶和Se靶。
Sb2Se3半导体薄膜材料是一种具有较高延展性的半导体薄膜材料。
实施例1
可拉伸导电基底的制备
将液体橡胶PBAT倒入特制的塑料凹槽中，然后在室温条件下静置约45分钟左右，即形成了透明的可拉伸基底，其光透率大于90％，耐受温度可达300℃。
导电电极的制备
通过溅射的方法在制备的可拉伸基底上沉积一层ITO作为器件的透明导电电极。
CdS缓冲层的制备
以硫酸镉为镉源，以硫脲为硫源，采用氨水来调节反应溶液的PH值(PH＝9)，在温度为65℃的水浴条件下在导电电极上沉积CdS以制备60nm厚度的N型缓冲层。
Sb2Se3光吸收层的制备
将上述制备好的基底放入腔室中，以Sb2Se3和Se作为溅射靶材且均采用射频源，溅射功率分别为Sb2Se3靶的功率为30W，Se靶的功率为12W，沉积时间为35min，基底温度为300℃，得到厚度为500nm的光吸收层。其样品的最终形貌如图2所示；从图4可以看出所制备的Sb2Se3薄膜为纯相的Sb2Se3，而且结晶性良好。图6展示的是吸收层的表面SEM图像，晶粒分布均匀，结晶性良好，相较于图7空洞明显减少。
对电极的制备
利用电阻式热蒸发设备将金(Au)蒸镀到所述光吸收层上以形成对电极，所述对电极的厚度为80nm。图5为所制备的Sb2Se3电池的效率曲线。
实施例2
可拉伸导电基底的制备
将液体橡胶PBAT倒入特制的塑料凹槽中，然后在室温条件下静置约45分钟左右，即形成了透明的可拉伸基底，其光透率大于90％，耐受温度可达300℃。
导电电极的制备
通过溅射的方法在制备的可拉伸基底上沉积一层ITO作为器件的透明导电电极。
CdS缓冲层的制备
以硫酸镉为镉源，以硫脲为硫源，采用氨水来调节反应溶液的PH值(PH＝9)，在温度为70℃的水浴条件下在导电电极上沉积CdS以制备80nm厚度的N型缓冲层。
Sb2Se3光吸收层的制备
将上述制备好的基底放入腔室中，以Sb2Se3和Se作为溅射靶材且均采用射频源，溅射功率分别为Sb2Se3靶的功率为25W，Se靶的功率为10W，沉积时间为35min，基底温度为250℃，得到厚度为440nm的光吸收层。其样品的最终形貌及XRD测试与实施例1的结果类似。
对比实施例1
可拉伸导电基底的制备
将液体橡胶PBAT倒入特制的塑料凹槽中，然后在室温条件下静置约45分钟左右，即形成了透明的可拉伸基底，其光透率大于90％，耐受温度可达300℃。
导电电极的制备
通过溅射的方法在制备的可拉伸基底上沉积一层ITO作为器件的透明导电电极。
CdS缓冲层的制备
以硫酸镉为镉源，以硫脲为硫源，采用氨水来调节反应溶液的PH值(PH＝9)，在温度为65℃的水浴条件下在导电电极上沉积CdS以制备60nm厚度的N型缓冲层。
Sb2Se3光吸收层的制备
将上述制备好的基底放入腔室中，以Sb2Se3作为溅射靶材且采用射频源，溅射功率为30W，沉积时间为35min，基底温度为300℃，得到厚度为460nm的光吸收层。其样品的最终形貌及XRD测试与实施例1的结果类似。图7展示的是单靶溅射制备的Sb2Se3薄膜的表面SEM，存在大量的空洞，薄膜结晶性较差。
根据EDS的测试结果与Sb2Se3的原子计量数比相比较得实施例1和对比实施例1得到的两种膜的元素比例，具体见表1。从表中数据可以看出Se(％)和Se:Sb有明显的提升，说明本发明采用双靶共溅制备的Sb2Se3薄膜与其他制备方法相比，大大降低了Se空位缺陷的出现，从而提高了薄膜质量。
表1
Claims (9)
1.一种具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
(1)采用液体橡胶制备拉伸性能好的透明可拉伸基底；
(2)利用ITO靶材在可拉伸基底上通过溅射的方法沉积一层导电电极；
(3)以硫酸镉为镉源，以硫脲为硫源，采用氨水调节反应溶液的PH值为9～10，通过水浴法在步骤(2)得到的ITO导电电极上沉积CdS以形成缓冲层；
(4)采用双靶共溅射的方法在步骤(3)形成的缓冲层的表面上沉积Sb2Se3薄膜，同时在溅射过程中对基底进行加热，得到Sb2Se3光吸收层；
(5)采用蒸镀的方法在步骤(4)得到的Sb2Se3光吸收层上形成对电极，由此得到具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池。
2.如权利要求1所述的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的液体橡胶为用于制造柔性模具的液体橡胶；可拉伸基底在常温常压条件下制备。
3.如权利要求1所述的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(2)中的溅射条件为：Ar:O2＝50:0.5；工作压力为0.7Pa；沉积功率为60～80W；沉积时间为20～40min。
4.如权利要求1所述的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(3)中水浴加热温度为60～80℃，水浴反应时间为15～45min。
5.如权利要求1所述的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(4)中采用Sb2Se3靶与Se靶共溅射制备Sb2Se3薄膜；溅射的功率分别为：Sb2Se3靶的功率为20～30W，Se靶的功率为10～12W，沉积时间为35min。
6.如权利要求1或4所述的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(4)中通过溅射沉积Sb2Se3薄膜时的基底温度为250～300℃。
7.一种如权利要求1-6任一项所述方法制备的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池，其特征在于：所述的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池包括可拉伸基底，导电电极，在导电电极上的N型缓冲层，在缓冲层上的Sb2Se3光吸收层，在Sb2Se3光吸收层上的对电极。
8.如权利要求7所述的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池，其特征在于：所述对电极是由银、铝或者金制成的。
9.如权利要求7或8所述的具有可拉伸结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池，其特征在于：所述缓冲层的厚度为50～80nm，所述Sb2Se3光吸收层的厚度为400～500nm，所述对电极的厚度为70～120nm。
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