CN109841697B - 一种基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池，将低熔点(为221℃)、强光敏性的Se引入CuO，并通过低温退火(Se的熔点附近)，使Se熔化，利用熔化的Se对CuO的浸润来消除或减少CuO膜中的空洞和悬挂键等缺陷，从而得到一种结晶性良好的CuO/Se复合材料薄膜，以该薄膜作为太阳能电池的p型材料层，制作太阳能电池。该太阳能电池结合了CuO对光强吸收、带隙合适，Se的熔点低、适合低温制备和处理且具有强的光敏性的优点，克服了CuO熔点高且高温分解，Se带隙过大(约1.8eV)的缺点，显著提高了电池效率。

Description

一种基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池。
背景技术
铜在地壳中含量丰富，氧化铜(CuO)价格低廉，并且无毒。CuO是一种重要的半导体材料，其光学禁带宽度约为1.4eV，接近理想太阳能电池的带隙，其太阳能电池理论光电转化效率为31％。并且CuO对光有强的吸收能力(光吸收率约达106/cm)。因而，CuO是一种非常理想的光伏材料。但是由于CuO在熔点附近(1026℃)会分解，因此不能用真空热蒸发制备和用高温退火的方法提高其结晶性。目前CuO薄膜的制备主要用磁控溅射、电化学沉积、化学溶液旋涂等方法。用这些方法制备的CuO薄膜结晶性差，缺陷多，导致载流子复合严重，其太阳能电池效率低(<6％)。
发明内容
为了解决目前CuO薄膜太阳能电池效率低的问题，本发明提出将低熔点(221℃)、强光敏性的Se引入CuO，制作基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池，从而提高电池效率。
解决上述问题所采用的太阳能电池包含基底、下电极、n型材料层、p型材料层、上电极，其中所述p型材料层为CuO/Se复合材料薄膜，p型材料层与n型材料层形成p-n结。
上述的CuO/Se复合材料薄膜为CuO和Se的复合物薄膜，且CuO和Se的复合物中存在中间相CuSe2和CuSe中任意一种或两种；该薄膜中Cu元素的原子百分含量为10％～60％，O元素的原子百分含量与Cu元素相同，Se元素的原子百分含量为10％～60％。
作为优选，上述CuO和Se的复合物薄膜中Cu元素的原子百分含量为20％～40％，O元素的原子百分含量与Cu元素相同，Se元素的原子百分含量为20％～50％。
本发明进一步优选所述CuO和Se的复合物薄膜中掺杂Si、Fe、Ge中任意一种，掺杂的Si或Fe或Ge元素的原子百分含量为3％～10％。
上述CuO和Se的复合物薄膜采用磁控溅射法制备，具体制备方法为：采用CuO和Se共溅射的方式在n型材料层或下电极上沉积一层CuO/Se复合材料薄膜，然后在空气或氮气中300～400℃退火1～3分钟，得到p型材料层；或先用磁控溅射法在n型材料层或下电极上沉积一层CuO膜，再在CuO膜上用常规的热蒸发沉积一层Se膜，接着在空气或氮气中300～400℃退火10～60分钟，得到p型材料层。
上述CuO和Se的复合物薄膜还可采用化学溶液法制备，具体制备方法为：将CuO粉末和Se粉末按摩尔比为1:2～3研磨混合均匀后加入二甲亚砜中，在50～70℃下搅拌6～10小时，所得反应液旋涂于n型材料层或下电极上，然后在150～200℃下退火5～10分钟，制备成p型材料层。
上述太阳能电池中，所述下电极为氧化铟锡、掺氟氧化锡、Mo中任意一种。
上述太阳能电池中，所述上电极为Au、Ag、Al、Cu、Ti中任意一种。
上述太阳能电池中，所述n型材料层为TiO2、ZnO、SnO2、CdS薄膜中任意一种或两种。
本发明的有益效果如下：
本发明将低熔点(为221℃)、强光敏性的Se引入CuO，并通过低温退火(Se的熔点附近)，使Se熔化，利用熔化的Se对CuO的浸润来消除或减少CuO膜中的空洞和悬挂键等缺陷，从而得到一种结晶性良好的CuO/Se复合材料薄膜，以该薄膜作为太阳能电池的p型材料层，制作太阳能电池。该太阳能电池结合了CuO对光强吸收、带隙合适，Se的熔点低、适合低温制备和处理且具有强的光敏性的优点，克服了CuO熔点高且高温分解，Se带隙过大(约1.8eV)的缺点，显著提高了电池效率。
附图说明
图1是实施例1制作的基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池在光照下的I-V曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
将FTO导电玻璃依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗10分钟，用氮气吹干。使用移液枪取纯度为99.99％的TiCl4水溶液4.5mL(4.5mol)，滴入200mL超纯水结成的冰中，静置融化，生成TiO2水溶液。将清洗后的FTO导电玻璃放入紫外处理机中，在波长为100～280nm的紫外光下处理导电面15分钟，然后置于培养皿中，导电面朝上放置，用3mm宽的胶带粘贴导电面的一侧，将其固定在培养皿底部。将TiO2水溶液倒入培养皿中，浸没FTO导电玻璃，加盖，放入恒温烘箱，70℃保温1小时，在FTO导电玻璃表面沉积致密型TiO2层。沉积完后，将FTO导电玻璃/TiO2样品取出用超纯水和乙醇清洗并吹干。然后将FTO导电玻璃/TiO2样品放入磁控溅射沉积室内，用机械泵和分子泵将沉积室抽真空至2×10-4Pa，调节FTO导电玻璃/TiO2样品和靶材的距离为6cm，然后将FTO导电玻璃/TiO2样品加热至200℃，接着打开氩气通气阀，向沉积室通入氩气，并打开质量流量计，控制氩气流量为30sccm，调节沉积室压强至0.6Pa，采用CuO和Se共溅射的方式，溅射功率为60W，并同时旋转衬底，在FTO导电玻璃/TiO2样品上沉积CuO/Se复合材料薄膜，溅射时间为30分钟，膜厚度约4μm。溅射结束后，自然冷却至室温，在空气中350℃退火1分钟。接着将样品放入热蒸发真空室，再在CuO/Se复合材料薄膜上蒸发3mm×3mm、厚度为80nm的金膜作为上电极。所制作的电池结构为：玻璃/FTO/TiO2/(CuO/Se)/Au。
对上述制作的电池作光照下(AM 1.5)的I-V特性测试，结果如图1所示。由图可见，所得电池的开路电压为0.99V，短路电流密度为13.10mA/cm2，填充因子为0.70，光电转换效率为9.11％。
实施例2
本实施例中，先采用磁控溅射在FTO导电玻璃上沉积60nm厚的ZnO膜，然后按照实施例1的方法采用CuO和Se共溅射的方式沉积CuO/Se复合材料薄膜，最后热蒸发铜膜作为上电极，制成作电池结构为：玻璃/FTO/ZnO/(CuO/Se)/Cu的太阳能电池。所得电池的光电转换效率为4.25％。
实施例3
本实施例中，先在普通玻璃上用磁控溅射沉积一层100nm厚的金属钼，然后按照实施例1的方法采用CuO和Se共溅射的方式沉积CuO/Se复合材料薄膜，再磁控溅射沉积60nm厚的ZnO膜，最后热蒸发铝作为上电极，制作成电池结构为：玻璃/Mo/(CuO/Se)/ZnO/Al的太阳能电池。所得电池的光电转换效率为5.15％。
实施例4
本实施例中，先采用磁控溅射在FTO导电玻璃上沉积60nm厚的SnO2膜，然后按照实施例1的方法采用CuO和Se共溅射的方式沉积CuO/Se复合材料薄膜，最后热蒸发金膜作为上电极，制作成电池结构为：玻璃/FTO/SnO2/(CuO/Se)/Au的太阳能电池。所得电池的光电转换效率为6.25％。
实施例5
本实施例中，先按照实施例1的方法在FTO导电玻璃上沉积致密型TiO2层，然后按照实施例1的方法采用CuO和Se共溅射的方式沉积CuO/Se复合材料薄膜，再采用化学浴法在CuO/Se复合材料薄膜上沉积80nm厚的n型CdS膜，最后热蒸发金膜作为上电极，制作成电池结构为：玻璃/FTO/TiO2/(CuO/Se)/CdS/Au的太阳能电池。所得电池的光电转换效率为5.42％。

Claims (8)

1.一种基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池，包含基底、下电极、n型材料层、p型材料层、上电极，其特征在于：所述p型材料层为CuO/Se复合材料薄膜，p型材料层与n型材料层形成p-n结；
上述的CuO/Se复合材料薄膜为CuO和Se的复合物薄膜，且CuO和Se的复合物中存在中间相CuSe2和CuSe中任意一种或两种；该薄膜中Cu元素的原子百分含量为10%～60%，O元素的原子百分含量与Cu元素相同，Se元素的原子百分含量为10%～60%；
上述CuO和Se的复合物薄膜采用磁控溅射法制备，具体制备方法如下：
采用CuO和Se共溅射的方式在n型材料层或下电极上沉积一层CuO/Se复合材料薄膜，然后在空气中300～400℃退火1～3分钟，得到p型材料层；
或先用磁控溅射法在n型材料层或下电极上沉积一层CuO膜，再在CuO膜上用常规的热蒸发沉积一层Se膜，接着在空气中300～400℃退火10～60分钟，得到p型材料层。
2.根据权利要求1所述的基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池，其特征在于：所述CuO和Se的复合物薄膜中Cu元素的原子百分含量为20%～40%，O元素的原子百分含量与Cu元素相同，Se元素的原子百分含量为20%～50%。
3.根据权利要求1或2所述的基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池，其特征在于：所述CuO和Se的复合物薄膜中还掺杂有Si、Fe、Ge中任意一种。
4.根据权利要求3所述的基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池，其特征在于：所述CuO和Se的复合物薄膜中掺杂的Si或Fe或Ge元素的原子百分含量为3%～10%。
5.根据权利要求1所述的基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池，其特征在于：所述CuO和Se的复合物薄膜采用化学溶液法制备而成，具体制备方法为：将CuO粉末和Se粉末按摩尔比为1:2～3研磨混合均匀后加入二甲亚砜中，在50～70℃下搅拌6～10小时，所得反应液旋涂于n型材料层或下电极上，然后在150～200℃下退火5～10分钟，制备成p型材料层。
6.根据权利要求1所述的基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池，其特征在于：所述下电极为氧化铟锡、掺氟氧化锡、Mo中任意一种。
7.根据权利要求1所述的基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池，其特征在于：所述上电极为Au、Ag、Al、Cu、Ti中任意一种。
8.根据权利要求1所述的基于CuO/Se复合材料薄膜的太阳能电池，其特征在于：所述n型材料层为TiO2、ZnO、SnO2、CdS薄膜中任意一种或两种。
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