CN109560150A - 一种m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种m面BeZnOS基非P‑N结型透明薄膜太阳能电池及其制备方法。所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底、光吸收层、一对平行金属电极，其中：所述光吸收层为m面BeZnOS四元合金外延薄膜，所述平行电极用于收集光生电子，所述平行金属电极垂直于所述BeZnOS四元合金薄膜的c轴方向；所述光吸收层的厚度为200～800nm，所述平行电极的厚度为10～100nm，优选为80nm。本发明通过改变衬底，成功制备了m面取向的非极性BeZnOS外延薄膜，并创新性地利用该薄膜内部自发极化电场来分离光生载流子，从而实现光能到电能的转换。

Description

一种m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池及其制备 方法
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MSM结构的平面透明薄膜太阳能电池，更具体地说，本发明涉及一种具有MSM结构的m面BeZnOS基非P-N结型平面透明薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
目前，人类面临着全球能源需求增加、化石燃料日益耗尽和环境污染等一系列问题，这使人们认识到开发清洁、丰富、可再生能源已经迫在眉睫。太阳能作为一种可再生清洁能源，引起了人们的广泛关注。近年来，太阳能电池行业得到了飞速的发展。继晶体Si太阳能电池研发以来，人们陆续开发出了非晶Si太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机光伏太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等。然而，目前传统太阳能电池的发展存在着光电转换效率已接近其理论极限和其安装使用范围有限两个问题，这极大限制了太阳能电池行业的发展。为解决这两个问题，人们开始努力提高太阳能电池光电转换效率，但是收效甚低，另一方面，人们开始发展透明太阳能电池以提高太阳能电池的使用面积。
与传统的太阳能电池不同，透明太阳能电池可以被大面积安装，被广泛应用于建筑物窗玻璃、交通工具窗玻璃、甚至于手机、手表等电子元器件的屏幕等。这在不影响人类日常生活的前提下极大化地利用自然界的太阳光来转换为人类日常所需的电能。因此，透明太阳能电池的开发利用变得及其重要。
BeZnOS四元合金具有光学带隙宽、可见光透过性高的特点，在光电器件领域具有很重要的应用。由于BeZnOS晶体是六方纤锌矿结构，其内部由O(S)原子面和Zn(Be)原子面交替排列，而Zn(Be)-O(S)键具有极性，整齐排列的Zn(Be)-O(S)键使得BeZnOS在其c轴方向上具有一个自发极化场，这对光生载流子的分离具有极大的好处。因此，BeZnOS在透明太阳能电池领域具有很大潜在利用价值。
本申请发明人课题组在前期已申请公开了一项名称为“一种BeZnOS化合物半导体材料、其制备方法及应用(公开号为CN 105734491 A)”的专利申请，将BeO和ZnS按比例制得四元化合物半导体材料，通过Be和S复合取代的协同作用，实现对ZnO带隙的自由调控等效果，且该发明制得的BeZnOS四元化合物可用于紫外至日盲区发光器件或光探测器件。但是上述方法制得的BeZnOS化合物半导体材料只能应用于紫外至日盲区发光器件或光探测器件方面。
本申请是在上述工作的基础上，进一步深入研究开发和创新后提出的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池及其制备方法。本发明旨在利用BeZnOS合金薄膜内部沿c轴方向的自发电场来实现光能到电能的转换，从而构建BeZnOS基透明薄膜太阳能电池。
为了实现本发明的上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：
一种m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底、光吸收层、一对平行金属电极，其中：所述光吸收层为m面BeZnOS四元合金外延薄膜，所述平行电极用于收集光生电子，所述平行金属电极垂直于所述BeZnOS四元合金薄膜的c轴方向。
进一步地，上述技术方案，所述m面蓝宝石衬底的厚度优选为0.35～0.45mm。
进一步地，上述技术方案，所述光吸收层的厚度为200～800nm。
进一步地，上述技术方案，所述平行电极的厚度为10～100nm，优选为80nm。
进一步地，上述技术方案，所述平行电极的间距为10～100μm。
进一步地，上述技术方案，所述平行金属电极材料可以为Al、Cu、Ag中的任一种，优选为Al。
本发明的另一目的在于提供上述所述m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)以m面蓝宝石作为薄膜生长的衬底，利用清洗液对所述衬底进行超声清洗后用氮气吹干，立即置于脉冲激光沉积系统的真空腔内；
(2)采用脉冲激光烧蚀沉积方法，利用BeZnOS陶瓷作为靶材，控制衬底温度为300～1000℃，脉冲激光能量为250～600mJ/Pulse，氧压为0～10Pa，在步骤(1)预处理后的m面蓝宝石衬底表面沉积形成BeZnOS薄膜，并通过XRD确定薄膜的c轴方向；
(3)利用真空蒸镀仪，通过热蒸发的方法在步骤(2)得到的BeZnOS薄膜表面蒸镀一对平行金属电极，获得本发明所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池样品，其中：所述金属平行电极与BeZnOS薄膜c轴方向垂直。
进一步地，上述技术方案，步骤(1)中所述清洗液包括丙酮、乙醇、去离子水，所述超声清洗时间优选为15min；所述清洗剂的操作温度为室温即可，一般不超过60℃。
进一步地，上述技术方案，步骤(2)中所述沉积时间为10～60min。
进一步地，上述技术方案，步骤(2)中所述BeZnOS陶瓷靶材是采用固相烧结法制得，具体方法如下：
(a)按摩尔比为99：1～70：30的比例将ZnS、BeO粉体混合均匀，加入超纯水，再次混合均匀后置于球磨罐中球磨，得到混合粉末；
(b)将所述混合粉末置于真空干燥箱中干燥后冷却至室温，然后碾碎，压成圆片；
(c)在氩气氛围中，以硫粉为除氧剂，将步骤(b)所得圆片置于真空管式炉中，于1200～1300℃条件下烧制2～5h，得到本发明所述的BeZnOS陶瓷。
更进一步地，上述技术方案，步骤(b)所述真空干燥箱温度为110℃，干燥时间为10h。
本发明的原理如下：
本发明首先通过脉冲激光沉积技术在m面蓝宝石表面沉积得到m面BeZnOS外延薄膜，然后通过热蒸镀法在薄膜表面沉积一对平行金属电极，制备出了m面BeZnOS基薄膜太阳能电池。
BeZnOS晶体的晶体结构为六方纤锌矿结构，其内部由O(S)原子面和Zn(Be)原子面交替排列，而Zn(Be)-O(S)键具有极性，整齐排列的Zn(Be)-O(S)键使得BeZnOS薄膜在其c轴方向上具有一个自发极化场。本发明通过利用BeZnOS薄膜内部的自发极化电场来取代传统太阳能电池中的P-N结内建电场来实现对光生载流子的分离和传输，最终达到将光能转换成电能的目的。
与现有技术相比，本发明涉及的一种m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池及其制备方法具有以下有益效果：
(1)与传统三元合金薄膜相比，本发明的四元合金薄膜BeZnOS带隙宽度大，具有更好的可见光透过性；
(2)本发明通过改变衬底，成功制备了m面取向的非极性BeZnOS外延薄膜，并创新性地利用该薄膜内部自发极化电场来分离光生载流子，从而实现光能到电能的转换；
(3)本发明利用透明的m面BeZnOS外延薄膜作为光吸收层，所制备的透明光伏器件相较于传统的太阳能电池具有更加广泛的应用范围，可应用于建筑物窗玻璃、交通工具窗玻璃、手机、手表屏幕等；
(4)本发明提出的器件结构简单，成本低廉，制作工艺简单，且器件效果明显、性能稳定，为太阳能电池行业的发展提供了一个新思路。
附图说明
图1是本发明的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2是本发明实施例1～3在不同温度下制得的BeZnOS薄膜的透射光谱测试谱；
图3是本发明实施例1制得的BeZnOS基透明薄膜太阳能电池在黑暗和光照条件下的电流密度-电压图谱；
图4是本发明实施例2制得的BeZnOS基透明薄膜太阳能电池在黑暗和光照条件下的电流密度-电压图谱；
图5是本发明实施例3制得的BeZnOS基透明薄膜太阳能电池在黑暗和光照条件下的电流密度-电压图谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施案例作详细说明。本实施案例在本发明技术方案的前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施案例。
根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本发明的精确描述进行各种改变，而不会偏离所附权利要求的精神和范围。应该理解，本发明的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本发明的特定方面。实际上，本领域或相关领域的技术人员明显能够对本发明实施方式作出的各种改变都涵盖在所附权利要求的范围内。
为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。
本发明下述各实施例中采用的蓝宝石衬底，其主要成分是氧化铝(Al2O3)，m-Al2O3表示m面蓝宝石。本发明中蓝宝石衬底的厚度优选为0.35～0.45mm。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底、光吸收层、一对平行Al电极，其中：所述光吸收层为m面BeZnOS四元合金薄膜，所述平行电极用于收集光生载流子，所述平行金属电极垂直于所述BeZnOS四元合金薄膜的c轴方向。所述衬底的厚度为0.43mm，所述光吸收层的厚度为200nm，所述电极的厚度为80nm，所述平行电极的间距为100μm。
本实施例上述所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池采用如下方法制备而成，包括如下步骤：
步骤1：采用固相烧结法烧制制备BeZnOS陶瓷靶材
1.1按摩尔比ZnS：BeO＝95：5，称取55.558g ZnS粉末和7.504g BeO粉末，混合后，加入39g去离子水，然后置于行星式球磨机中的球磨罐(球磨介质为氧化锆陶瓷球)中，球磨4h，得到混合粉末；
1.2将所述混合粉末置于真空干燥箱中，在110℃条件下真空干燥10h，取出后自然冷却至室温，筛去锆球，加入6g乙醇，用研钵充分研磨均匀后使用压片机在10MPa压强下压成直径27.5mm、厚度2mm的圆形坯片；
1.3将所述坯片置于真空管式炉中的坩埚内，并在其周围放上成分相同的粉料(15.0000g)、高纯硫粉(3.3000g)。将真空管式炉抽真空至0.1Pa后通入高纯氩气，重复3次。在保护气氛下将管式炉升温至1300℃并保温2h，随后自然冷却至室温，得到本发明所述的BeZnOS陶瓷靶材。
步骤2利用BeZnOS陶瓷靶材制备太阳能电池
2.1以步骤1制得的BeZnOS陶瓷靶材作为激光烧蚀靶材，与经过丙酮、无水乙醇和去离子水等分别超声清洗15min的衬底一起装入真空室，并抽真空至10-4Pa；
2.2开启衬底加热并调节衬底温度为700℃，通入氧气，使得气压在整个薄膜沉积过程中维持在2Pa；然后开启衬底和靶台自转，设定激光器输出能量为350mJ/pulse，脉冲重复频率为5Hz，沉积30min后关闭氧气与衬底加热，最后待样品在真空室中自然冷却至室温后从真空室取出，并通过XRD确定薄膜的c轴方向；
2.3将步骤2所得样品和掩模板一并安装到真空蒸镀机的真空腔中，然后将0.2g金属铝(蒸发源)放入钨舟中，关闭真空腔空气角阀，开启机械泵、前级阀、分子泵，将真空度抽到10-4Pa，然后开启蒸发源电源，以100A/min的速度将电流提高，直到金属铝融化后保持电流恒定，打开挡板至金属颗粒完全蒸发，得到一对沟道宽度为100μm的Al电极，所述电极与BeZnOS薄膜c轴方向垂直，再缓慢降低电流，关闭蒸发源，关闭分子泵，前级阀，机械泵，并打开空气角阀，得到本发明所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池。
将本实施例制备得到的太阳能电池分别进行UV测试和J-V测试，测试结果分别如图2和图3所示，器件在可见光波段的透光度达到90％左右，器件的光电流密度和开路电压分别为0.40nA/cm2和0.52mV。
实施例2
本实施例的一种m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底、光吸收层、一对平行Al电极，其中：所述光吸收层为m面BeZnOS四元合金薄膜，所述平行电极用于收集光生载流子，所述平行金属电极垂直于所述BeZnOS四元合金薄膜的c轴方向。所述衬底的厚度为0.43mm，所述光吸收层的厚度为250nm，所述电极的厚度为80nm，所述平行电极的间距为100μm。
本实施例上述所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池采用如下方法制备而成，包括如下步骤：
步骤1：采用固相烧结法烧制制备BeZnOS陶瓷靶材
1.1按摩尔比ZnS：BeO＝85：15，称取49.710g ZnS粉末和22.511g BeO粉末，混合后，加入36g去离子水，然后置于行星式球磨机中的球磨罐(球磨介质为氧化锆陶瓷球)中，球磨4h，得到混合粉末；
1.2将所述混合粉末置于真空干燥箱中，在110℃条件下真空干燥10h，取出后自然冷却至室温，筛去锆球，加入6g乙醇，用研钵充分研磨均匀后使用压片机在10MPa压强下压成直径27.5mm、厚度2mm的圆形坯片；
1.3将所述坯片置于真空管式炉中的坩埚内，并在其周围放上成分相同的粉料(15.0000g)、高纯硫粉(3.3000g)。将真空管式炉抽真空至0.1Pa后通入高纯氩气，重复3次。在保护气氛下将管式炉升温至1200℃并保温5h，随后自然冷却至室温，得到本发明所述的BeZnOS陶瓷靶材。
步骤2利用BeZnOS陶瓷靶材制备太阳能电池
2.1以步骤1制得的BeZnOS陶瓷靶材作为激光烧蚀靶材，与经过丙酮、无水乙醇和去离子水等分别超声清洗15min的衬底一起装入真空室，并抽真空至10-4Pa；
2.2开启衬底加热并调节衬底温度为650℃，通入氧气，使得气压在整个薄膜沉积过程中维持在4Pa；然后开启衬底和靶台自转，设定激光器输出能量为250mJ/pulse，脉冲重复频率为5Hz，再开启激光沉积40min后关闭氧气与衬底加热，最后将样品在真空中自然冷却至室温后从真空室取出，并通过XRD确定薄膜的c轴方向；
2.3将步骤2所得样品和掩模板一并安装到真空蒸镀机的真空腔中，然后将0.2g金属铝(蒸发源)放入钨舟中，关闭真空腔，开启机械泵、前级阀、分子泵，将真空度抽到10-4Pa，达到该真空度后开启蒸发电源，以100A/min的速度将电流提高，直到金属铝融化后保持电流恒定，打开挡板至金属蒸发完毕，得到一对沟道宽度为100μm的Al电极，所述电极与BeZnOS薄膜c轴方向垂直，再缓慢降低电流，关闭蒸发源，关闭分子泵，前级阀，机械泵，并打开空气阀，得到本发明所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池。
将本实施例制备得到的太阳能电池分别进行了UV测试和J-V测试，测试结果分别如图2和图4所示，测试结果表明，本实施例制备得到的太阳能电池在可见光波段的透光度达到90％左右，器件的光电流密度和开路电压分别为0.41nA/cm2和2.73mV。
实施例3
本实施例的一种m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底、光吸收层、一对平行Al电极，其中：所述光吸收层为m面BeZnOS四元合金薄膜，所述平行电极用于收集光生电子，所述平行金属电极垂直于所述BeZnOS四元合金薄膜的c轴方向。所述衬底的厚度为0.43mm，所述光吸收层的厚度为240nm，所述电极的厚度为80nm，所述平行电极的间距为100μm。
本实施例上述所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池采用如下方法制备而成，包括如下步骤：
步骤1：采用固相烧结法烧制制备BeZnOS陶瓷靶材
1.1按摩尔比ZnS：BeO＝95：5，称取55.558g ZnS粉末和7.504g BeO粉末，混合后，加入39g去离子水，然后置于球磨罐(球磨介质为氧化锆陶瓷球)中，球磨4h，得到混合粉末；
1.2将所述混合粉末置于真空干燥箱中，在110℃条件下真空干燥10h，取出后自然冷却至室温，筛去锆球，加入6g乙醇，用研钵充分研磨均匀后使用压片机在10MPa压强下压成直径27.5mm、厚度2mm的圆形坯片；
1.3将所述坯片置于真空管式炉中的坩埚内，并在其周围放上成分相同的粉料(15.0000g)、高纯硫粉(3.3000g)。将真空管式炉抽真空至0.1Pa后通入高纯氩气，重复3次。在保护气氛下将管式炉升温至1300℃并保温2h，随后自然冷却至室温，得到本发明所述的BeZnOS陶瓷靶材。
步骤2利用BeZnOS陶瓷靶材制备太阳能电池
2.1以步骤1制得的BeZnOS陶瓷靶材作为激光烧蚀靶材，与经过丙酮、无水乙醇和去离子水等分别超声清洗15min的衬底一起装入真空室，并抽真空至10-4Pa；
2.2开启衬底加热并调节衬底温度为700℃，通入氧气，使得气压在整个薄膜沉积过程中维持在4Pa；然后开启衬底和靶台自转，设定激光器输出能量为350mJ/pulse，脉冲重复频率为5Hz，沉积30min后关闭氧气与衬底加热，最后将样品在真空中自然冷却至室温后从真空室取出，并通过XRD确定薄膜的c轴方向；
2.3将步骤2所得样品和掩模板一并安装到真空蒸镀机的真空腔中，然后将0.2g金属铝(蒸发源)放入钨舟中，关闭真空腔，开启机械泵、前级阀、分子泵，将真空度抽到10-4Pa，达到该真空度后开启蒸发源电源，以100A/min的速度将电流提高，直到金属铝融化后保持电流恒定，打开挡板至金属蒸发完毕，得到一对沟道宽度为100μm的Al电极，所述电极与BeZnOS薄膜c轴方向垂直，再缓慢降低电流，关闭蒸发源，关闭分子泵，前级阀，机械泵，并打开空气角阀，得到本发明所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池。
将本实施例制备得到的太阳能电池分别进行了UV测试和J-V测试，测试结果分别如图2和图5所示，测试结果表明，本实施例制得的太阳能电池在可见光波段的透光度达到90％左右，器件的光电流密度和开路电压分别为0.35nA/cm2和1.80mV。
实施例4
本实施例的一种m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底、光吸收层、一对平行Cu电极，其中：所述光吸收层为m面BeZnOS四元合金薄膜，所述平行电极用于收集光生电子，所述平行金属电极垂直于所述BeZnOS四元合金薄膜的c轴方向。所述衬底的厚度为0.35mm，所述光吸收层的厚度为200nm，所述电极的厚度为10nm，所述平行电极的间距为10μm。
本实施例上述所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池采用如下方法制备而成，包括如下步骤：
步骤1：采用固相烧结法烧制制备BeZnOS陶瓷靶材
1.1按摩尔比ZnS：BeO＝85：15，称取49.710g ZnS粉末和22.511g BeO粉末，混合后，加入36g去离子水，然后置于行星式球磨机中的球磨罐(球磨介质为氧化锆陶瓷球)中，球磨4h，得到混合粉末；
1.2将所述混合粉末置于真空干燥箱中，在110℃条件下真空干燥10h，取出后自然冷却至室温，筛去锆球，加入6g乙醇，用研钵充分研磨均匀后使用压片机在10MPa压强下压成直径27.5mm、厚度2mm的圆形坯片；
1.3将所述坯片置于真空管式炉中的坩埚内，并在其周围放上成分相同的粉料(15.0000g)、高纯硫粉(3.3000g)。将真空管式炉抽真空至0.1Pa后通入高纯氩气，重复3次。在保护气氛下将管式炉升温至1200℃并保温5h，随后自然冷却至室温，得到本发明所述的BeZnOS陶瓷靶材。
步骤2利用BeZnOS陶瓷靶材制备太阳能电池
2.1以步骤1制得的BeZnOS陶瓷靶材作为激光烧蚀靶材，与经过丙酮、无水乙醇和去离子水等分别超声清洗15min的衬底一起装入真空室，并抽真空至10-4Pa；
2.2开启衬底加热并调节衬底温度为300℃，通入氧气，使得气压在整个薄膜沉积过程中维持在4Pa；然后开启衬底和靶台自转，设定激光器输出能量为300mJ/pulse，脉冲重复频率为5Hz，沉积20min后关闭氧气与衬底加热，最后将样品在真空中自然冷却至室温后从真空室取出，并通过XRD确定薄膜的c轴方向；
2.3将步骤2所得样品和掩模板一并安装到真空蒸镀仪的真空腔中，然后将0.2g金属铜(蒸发源)放入钨舟中，关闭真空腔，开启机械泵、前级阀、分子泵，抽真空至10-4Pa，达到该真空度后开启蒸发源电源，以100A/min的速度将电流提高，直到金属Cu融化然后保持电流恒定，打开挡板至金属蒸发完毕，得到一对沟道宽度为10μm的Cu电极，所述电极与BeZnOS薄膜c轴方向垂直，再缓慢降低电流，关闭蒸发源，关闭分子泵，前级阀，机械泵，并打开空气阀，得到本发明所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池。
实施例5
本实施例的一种m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底、光吸收层、一对平行Ag电极，其中：所述光吸收层为m面BeZnOS四元合金薄膜，所述平行电极用于收集光生电子，所述平行金属电极垂直于所述BeZnOS四元合金薄膜的c轴方向。所述衬底的厚度为0.43mm，所述光吸收层的厚度为800nm，所述电极的厚度为100nm，所述平行电极的间距为60μm。
本实施例上述所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池采用如下方法制备而成，包括如下步骤：
步骤1：采用固相烧结法烧制制备BeZnOS陶瓷靶材
1.1按摩尔比ZnS：BeO＝85：15，称取49.710g ZnS粉末和22.511g BeO粉末，混合后，加入36g去离子水，然后置于行星式球磨机中的球磨罐(球磨介质为氧化锆陶瓷球)中，球磨4h，得到混合粉末；
1.2将所述混合粉末置于真空干燥箱中，在110℃条件下真空干燥10h，取出后自然冷却至室温，筛去锆球，加入6g乙醇，用研钵充分研磨均匀后使用压片机在10MPa压强下压成直径27.5mm、厚度2mm的圆形坯片；
1.3将所述坯片置于真空管式炉中的坩埚内，并在其周围放上成分相同的粉料(15.0000g)、高纯硫粉(3.3000g)。将真空管式炉抽真空至0.1Pa后通入高纯氩气，重复3次。在保护气氛下将管式炉升温至1200℃并保温5h，随后自然冷却至室温，得到本发明所述的BeZnOS陶瓷靶材。
步骤2利用BeZnOS陶瓷靶材制备太阳能电池
2.1以步骤1制得的BeZnOS陶瓷靶材作为激光烧蚀靶材，与经过丙酮、无水乙醇和去离子水等分别超声清洗15min的衬底一起装入真空室，并抽真空至10-4Pa；
2.2开启衬底加热并调节衬底温度为1000℃，通入氧气，使得气压在整个薄膜沉积过程中维持在2Pa；然后开启衬底和靶台自转，设定激光器输出能量为600mJ/pulse，脉冲重复频率为5Hz，再开启激光沉积60min后关闭氧气与衬底加热，最后将样品在真空中自然冷却至室温后从真空室取出，并通过XRD确定所得薄膜的c轴方向；
2.3将步骤2所得样品和掩模板一并安装到真空蒸镀仪的真空腔中，然后将0.2g金属Ag(蒸发源)放入钨舟中，关闭真空腔，开启机械泵、前级阀、分子泵，将真空度抽到10-4Pa，达到该真空度后开启蒸发电源，以100A/min的速度将电流提高，直到金属Ag融化后保持电流恒定，打开挡板至金属蒸发完毕，得到一对沟道宽度为60μm的Ag电极，所述电极与BeZnOS薄膜c轴方向垂直，再缓慢降低电流，关闭蒸发源，关闭分子泵，前级阀，机械泵，并打开空气角阀。最后得到本发明所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池。

Claims (9)

1.一种m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底、光吸收层、一对平行金属电极，其中：所述光吸收层为m面BeZnOS四元合金外延薄膜，所述平行电极用于收集光生电子，所述平行金属电极垂直于所述BeZnOS四元合金薄膜的c轴方向。
2.根据权利要求1所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池，其特征在于：所述光吸收层的厚度为200～800nm。
3.根据权利要求1所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池，其特征在于：所述平行电极的厚度为10～100nm。
4.根据权利要求1所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池，其特征在于：所述平行电极的间距为10～100μm。
5.根据权利要求1所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池，其特征在于：所述平行金属电极材料为Al、Cu、Ag中的任一种。
6.权利要求1所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)以m面蓝宝石作为薄膜生长的衬底，利用清洗液对所述衬底进行超声清洗后用氮气吹干，立即置于脉冲激光沉积系统的真空腔内；
(2)采用脉冲激光烧蚀沉积方法，利用BeZnOS陶瓷作为靶材，控制衬底温度为300～1000℃，脉冲激光能量为250～600mJ/Pulse，氧压为0～10Pa，在步骤(1)预处理后的m面蓝宝石衬底表面沉积形成BeZnOS薄膜，并通过XRD确定薄膜的c轴方向；
(3)利用真空蒸镀仪，通过热蒸发的方法在步骤(2)得到的BeZnOS薄膜表面蒸镀一对平行金属电极，获得本发明所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池样品，其中：所述金属平行电极与BeZnOS薄膜c轴方向垂直。
7.根据权利要求6所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述沉积时间为10～60min。
8.根据权利要求6所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述BeZnOS陶瓷靶材是采用固相烧结法制得，具体方法如下：
(a)按摩尔比为99：1～70：30的比例将ZnS、BeO粉体混合均匀，加入超纯水，再次混合均匀后置于球磨罐中球磨，得到混合粉末；
(b)将所述混合粉末置于真空干燥箱中干燥后冷却至室温，然后碾碎，压成圆片；
(c)在氩气氛围中，以硫粉为除氧剂，将步骤(b)所得圆片置于真空管式炉中，于1200～1300℃条件下烧制2～5h，得到本发明所述的BeZnOS陶瓷。
9.根据权利要求8所述的m面BeZnOS基非P-N结型透明薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(b)所述真空干燥箱温度为110℃，干燥时间为10h。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102544133A (zh) * 2012-02-10 2012-07-04 河南科技大学 一种基于界面极化子效应的半导体太阳能电池及制备方法
CN103503160A (zh) * 2011-05-06 2014-01-08 株式会社东芝 光电转换元件及太阳能电池
CN105206690A (zh) * 2014-06-10 2015-12-30 Sk新技术株式会社 包括多重缓冲层的太阳能电池及其制造方法
CN105734491A (zh) * 2016-03-08 2016-07-06 湖北大学 一种BeZnOS化合物半导体材料、其制备方法及应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103503160A (zh) * 2011-05-06 2014-01-08 株式会社东芝 光电转换元件及太阳能电池
CN102544133A (zh) * 2012-02-10 2012-07-04 河南科技大学 一种基于界面极化子效应的半导体太阳能电池及制备方法
CN105206690A (zh) * 2014-06-10 2015-12-30 Sk新技术株式会社 包括多重缓冲层的太阳能电池及其制造方法
CN105734491A (zh) * 2016-03-08 2016-07-06 湖北大学 一种BeZnOS化合物半导体材料、其制备方法及应用

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