CN112259620A - 一种Sb2Se3薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Sb2Se3薄膜太阳能电池及其制备方法。本发明中的Sb2Se3薄膜太阳能电池是在衬底上依次排列有MoP背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层、顶电极层。本发明以Mo电极层为基础，通过对太阳能电池的Mo电极层与磷酸盐溶液或磷酸溶液进行热处理，形成MoP背电极层，使背电极的功函数从5.0eV提高到5.5eV，背电极功函数提高，使得薄膜太阳能电池的开路电压和短路电流显著提高，电池转换效率得到了明显的提升。另外，本发明通过在Mo电极层中使用磷酸盐溶液或磷酸溶液进行热处理，在Mo电极层中掺杂P，形成MoP电极层，方法简单、成本低廉，有利于商业化推广和应用。
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Sb2Se3薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
电子产品的快速发展为公安部门提供了很多的辅助性工作，例如通信设备、警示灯具、无人机、摄像机、现场执法记录仪等。便携式警用装备的使用需要依靠较好的电源设备，太阳能光伏发电在解决能源与环境问题方面具有重要的作用和潜力。相比目前占据市场主流的硅基太阳能电池，化合物半导体薄膜太阳能电池以优良的发电性能，较低的材料和能源消耗等优势，在商业化应用方面具有较大的优势。目前商业化应用的太阳能电池主要是硅基太阳能电池，存在的主要问题是，硅基太阳能电池不能折叠弯曲而做成柔性器件，在警用设备等方面的应用受到了限制。以硒化锑(Sb2Se3)为代表的化合物半导体薄膜电池，因具有稳定、单一的物相、可调的光学带隙和丰富的元素储量等优点，另外，Sb2Se3材料的熔点较低，使得其薄膜的制备工艺条件较为简单，被认为是一种极具潜力的新型光伏材料。
目前锑基太阳能电池的最高光电转换效率已达到10.5％，而CIGS薄膜太阳能电池的最高认证效率达到了22.9％，限制Sb2Se3薄膜太阳能电池的主要因素是电池的开路电压和短路电流相对较低，成为制约电池转换效率提升的一个关键因素。目前提高Sb2Se3薄膜太阳能电池开路电压和短路电流的主要方法有金属阳离子掺杂，例如通过掺杂Cu金属元素，可以提高载流子浓度；通过调节S与Se的比例，制备梯度带隙的Sb2(S,Se)3薄膜太阳能电池，从而提高Sb2(S,Se)3薄膜太阳能电池的器件效率。但是以上工艺方法相对复杂，制造成本高，无法实现大规模的应用，因而不适宜商业化生产。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种Sb2Se3薄膜太阳能电池及其制备方法。本发明通过在Sb2Se3薄膜太阳能电池的背电极Mo电极层掺杂P元素，制备MoP背电极，使背电极的功函数提高，提高太阳能电池的开路电压和短路电流，提升电池转换效率。
本发明的技术方案如下：
一种Sb2Se3薄膜太阳能电池，包括衬底，在衬底上依次排列有MoP背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层、顶电极层。
根据本发明优选的，所述MoP背电极层是在Mo电极层掺杂P元素制备得到，所述MoP背电极层的厚度为1.0μm～2.0μm。
根据本发明优选的，所述吸收层为硫化锑、硒化锑或硫硒化锑；优选为硒化锑；所述吸收层的厚度为1.0μm～2.0μm。
根据本发明优选的，所述缓冲层为CdS、ZnS、(Cd,Zn)S、Zn(O,S)或In2S3；优选为CdS；所述缓冲层的厚度为30nm～100nm。
根据本发明优选的，所述窗口层包括本征氧化锌层和掺杂氧化锌层，所述掺杂氧化锌为掺铝氧化锌薄膜、掺镓氧化锌薄膜或掺镁氧化锌薄膜；进一步优选的，所述本征氧化锌层的厚度为30nm～150nm，所述掺杂氧化锌层的厚度为300nm～1500nm。
根据本发明优选的，所述顶电极层为镍铝合金。
上述一种Sb2Se3薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上沉积形成Mo电极层，在Mo电极层表层涂一层磷酸盐溶液或磷酸溶液，在氩气条件下500～600℃热处理10～20分钟，使得Mo电极层掺杂P元素，形成MoP背电极层；在上述背电极层上依次形成吸收层、缓冲层、窗口层、顶电极层，制备得到Sb2Se3薄膜太阳能电池。
根据本发明优选的，所述Mo电极层是采用直流磁控溅射法在钠钙玻璃衬底上沉积形成。
根据本发明优选的，所述热处理是在70～90℃预热处理5～20分钟，在载气15～30sccm氩气的条件下550℃热处理15分钟。
根据本发明优选的，所述磷酸盐为NaxH3-xPO4(0＜x≤3)或(NH4)3PO4；所述磷酸盐溶液或磷酸溶液的浓度为1～500mmol/L；优选为3～15mmol/L。
根据本发明优选的，所述吸收层是通过快速热蒸发的方式形成，在250-350℃预热5-15分钟，然后在30s内迅速升至500-550℃进行热蒸发，热蒸发时间为20-400s；优选为，在310℃预热15分钟，然后在30s内迅速升至530℃进行热蒸发，热蒸发时间为100s。
根据本发明优选的，所述缓冲层是采用化学水浴法、原子层沉积法或蒸发法形成。
根据本发明优选的，所述顶电极层是采用蒸发方法形成。
一种薄膜太阳能电池背电极，所述背电极为MoP背电极，是在Mo电极层掺杂P元素制备得到。
根据本发明优选的，所述MoP背电极的制备方法为：在Mo电极层表层涂一层磷酸盐溶液或磷酸溶液，磷酸盐溶液或磷酸溶液的浓度为1～500mmol/L，在70～90℃预热处理5～20分钟，在载气15～30sccm氩气条件下500～600℃热处理10～20分钟，使得Mo电极层掺杂P元素，形成MoP背电极。
进一步优选的，所述磷酸盐为NaxH3-xPO4(0＜x≤3)或(NH4)3PO4。
有益效果：
本发明以Mo电极层为基础，通过对太阳能电池的Mo电极层与磷酸盐溶液或磷酸溶液进行热处理，形成MoP背电极层，使背电极的功函数从5.0eV提高到5.5eV，背电极功函数提高，使得薄膜太阳能电池的开路电压和短路电流显著提高，电池转换效率得到了明显的提升。另外，本发明通过在Mo电极层中使用磷酸盐溶液或磷酸溶液进行热处理，在Mo电极层中掺杂P，形成MoP电极层，方法简单、成本低廉，有利于商业化推广和应用。
附图说明
图1是实施例1中Sb2Se3薄膜太阳能电池制备的流程图；
图2是实施例1制备的Sb2Se3薄膜太阳能电池的结构示意图；
图3是实施例1和对比例制备的Sb2Se3薄膜太阳能电池的效率图。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明一些实施方式中，吸收层可以是硫化锑、硒化锑、硫硒化锑。在一些实施方式中，缓冲层可以是厚度在30nm～100nm的CdS、ZnS、(Cd,Zn)S、Zn(O,S)、In2S3等薄膜。缓冲层可以采用化学水浴法、原子层沉积法、蒸发法制备。在一些实施方式中，本征氧化锌薄膜厚度在30nm～150nm之间，掺杂氧化锌还可以是掺铝氧化锌薄膜、掺镓氧化锌薄膜、掺镁氧化锌薄膜，厚度在300nm～1500nm。
实施例1
一种Sb2Se3薄膜太阳能电池的制备方法，制备流程如图1所示，包括以下步骤：
S1.在钠钙玻璃衬底上利用直流磁控溅射方法制备厚度为1～2μm的Mo电极层；具体步骤为：首先用清洗剂和去离子水清洗钠钙玻璃衬底，再超声清洗后，在真空干燥箱里烘干；然后将清洗干净的钠钙玻璃衬底放入溅射设备腔室中，当溅射设备真空腔室的真空度达到5×10-4Pa之后，采用直流电源磁控溅射Mo靶材(纯度为99.99％以上)；第一层Mo薄膜在高气压和低功率的条件制备，溅射时氩气气压为1.5Pa，溅射功率密度大约为1.13W/cm2，Mo薄膜厚度约为300nm；第二层Mo薄膜在低气压和高功率条件下制备，溅射时氩气气压为0.2Pa，溅射功率密度大约为2W/cm2，Mo薄膜厚度约为1000nm；
S2.配制(NH4)3PO4溶液，(NH4)3PO4溶液的浓度为3mmol/L，然后将(NH4)3PO4溶液旋涂在步骤S1的Mo电极层表层上，将旋涂有(NH4)3PO4溶液的Mo电极层在石英管中进行80℃预热处理10分钟，在载气20sccm氩气的条件下550℃热处理15分钟，使得Mo电极层掺杂P元素，形成MoP背电极层；
S3.在单温管式炉中通过快速热蒸发的方式制备Sb2Se3吸收层，将形成了MoP背电极层的钠钙玻璃衬底在310℃下预热15分钟，然后在30s内迅速升至530℃进行热蒸发，热蒸发时间为100s，形成Sb2Se3薄膜，薄膜厚度在1.0μm～2.0μm之间；其中，Sb源为Sb2Se3，Se源为硒粉；
S4.利用化学水浴方法在Sb2Se3薄膜吸收层上制备CdS缓冲层，厚度为50nm；具体步骤为：将步骤S3形成了Sb2Se3吸收层的钠钙玻璃置于烧杯中，向烧杯中添加10mL浓度为25wt％的氨水(NH3·H2O)和465mL去离子水，再加入5mL的0.05mol/L的Cd(CH3COO)2溶液和10mL的0.5mol/L的CH3COONH4溶液；然后将烧杯放置于78℃的恒温水浴锅中，待水温达到78℃后加入10mL的0.2mol/L的SC(NH2)2溶液，8分钟后取出钠钙玻璃，并用去离子水冲洗，最后用氮气吹干；
S5.采用中频直流脉冲电源磁控溅i-ZnO靶材，在CdS缓冲层上制备本征氧化锌(i-ZnO)层，i-ZnO薄膜的电阻率为109～1012Ω·cm，薄膜厚度约为50nm；然后采用直流电源磁控溅射ZnO:Al靶材(氧化铝的含量为3wt％)，制备掺铝氧化锌(AZO)层，掺铝氧化锌薄膜的方块电阻在40Ω/sq以下，薄膜厚度约为500nm；
S6.采用蒸发方法在掺铝氧化锌层上制备镍铝合金层作为顶电极，制得Sb2Se3薄膜太阳能电池，所得太阳能电池的结构如图2所示。
实施例2
一种Sb2S3薄膜太阳能电池的制备方法，制备方法与实施例1相同，不同之处在于，步骤S3，制备硫化锑吸收层，Sb源为硫化锑，S源为硫粉，其他步骤均与实施例1相同。
实施例3
一种Sb2S3薄膜太阳能电池的制备方法，制备方法与实施例1相同，不同之处在于，步骤S2中的磷酸盐溶液的浓度15mmol/L；其他步骤均与实施例1相同。
实施例4
一种Sb2S3薄膜太阳能电池的制备方法，制备方法与实施例1相同，不同之处在于，步骤S4采用原子层沉积法在Sb2Se3薄膜吸收层上制备ZnS缓冲层，厚度为70nm；其他步骤均与实施例1相同。
实施例5
一种Sb2S3薄膜太阳能电池的制备方法，制备方法与实施例1相同，不同之处在于，步骤S5采用直流电源磁控溅射制备掺镓氧化锌薄膜，掺镓氧化锌薄膜的厚度约为800nm；其他步骤均与实施例1相同。
对比例：
一种Sb2Se3薄膜太阳能电池的制备方法，制备方法与实施例1相同，不同之处在于，不包括步骤S2，直接在步骤S1的Mo电极层上依次形成吸收层、缓冲层、窗口层、顶电极层，制备得到Sb2Se3薄膜太阳能电池。
实验例：
将实施例1和对比例制备得到的Sb2Se3薄膜太阳能电池在不同电流密度下检测其电压，检测电池的转换效率，结果如图3所示，实施例1制备的Sb2Se3薄膜太阳能电池的开路电压和短路电流显著提高，器件效率得到了明显的提升。相比于对比例制备的Sb2Se3薄膜太阳能电池，实施例1的Sb2Se3薄膜太阳能电池的开路电压从0.49V提升到0.51V，短路电流从29.86mA/cm2提高到33.24mA/cm2，Sb2Se3薄膜太阳能电池效率从4.19％提高到5.16％。由以上结果可以，通过改变太阳能电池的背电极，使Mo电极层变为MoP电极层，使Sb2Se3薄膜太阳能电池背电极的功函数从5.0eV提高到5.5eV，优化了背界面，可以实现对Sb2Se3薄膜太阳电池器件参数的显著提升，从而提高器件效率。
以上，针对本发明的薄膜太阳能电池制备方法的具体实施方式进行了详细说明，但是本发明不限定于此。各步骤的具体实施方式根据情况可以不同。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种Sb2Se3薄膜太阳能电池，包括衬底，其特征在于，在衬底上依次排列有MoP背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层、顶电极层。
2.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述MoP背电极层是在Mo电极层掺杂P元素制备得到，所述MoP背电极层的厚度为1.0μm～2.0μm。
3.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述吸收层为硫化锑、硒化锑或硫硒化锑；所述吸收层的厚度为1.0μm～2.0μm；
优选的，所述缓冲层为CdS、ZnS、(Cd,Zn)S、Zn(O,S)或In2S3；所述缓冲层的厚度为30nm～100nm。
4.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述窗口层包括本征氧化锌层和掺杂氧化锌层，所述掺杂氧化锌为掺铝氧化锌薄膜、掺镓氧化锌薄膜或掺镁氧化锌薄膜；进一步优选的，所述本征氧化锌层的厚度为30nm～150nm，所述掺杂氧化锌层的厚度为300nm～1500nm；
优选的，所述顶电极层为镍铝合金。
5.权利要求1所述的一种Sb2Se3薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上沉积形成Mo电极层，在Mo电极层表层涂一层磷酸盐溶液或磷酸溶液，在氩气条件下500～600℃热处理10～20分钟，使得Mo电极层掺杂P元素，形成MoP背电极层；在上述背电极层上依次形成吸收层、缓冲层、窗口层、顶电极层，制备得到Sb2Se3薄膜太阳能电池。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述Mo电极层是采用直流磁控溅射法在钠钙玻璃衬底上沉积形成；
优选的，所述热处理是在70～90℃预热处理5～20分钟，在载气15～30sccm氩气的条件下550℃热处理15分钟；
优选的，所述磷酸盐为NaxH3-xPO4(0＜x≤3)或(NH4)3PO4；所述磷酸盐溶液或磷酸溶液的浓度为1～500mmol/L。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述吸收层是通过快速热蒸发的方式形成，在250～350℃预热5～15分钟，然后在30s内迅速升至500～550℃进行热蒸发，热蒸发时间为20～400s。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述缓冲层是采用化学水浴法、原子层沉积法或蒸发法形成；
优选的，所述顶电极层是采用蒸发方法形成。
9.一种薄膜太阳能电池背电极，其特征在于，所述背电极为MoP背电极，是在Mo电极层掺杂P元素制备得到。
10.如权利要求9所述的薄膜太阳能电池背电极，其特征在于，所述MoP背电极的制备方法为：在Mo电极层表层涂一层磷酸盐溶液或磷酸溶液，磷酸盐溶液或磷酸溶液的浓度为1～500mmol/L，在70～90℃预热处理5～20分钟，在载气15～30sccm氩气条件下500～600℃热处理10～20分钟，使得Mo电极层掺杂P元素，形成MoP背电极；
进一步优选的，所述磷酸盐为NaxH3-xPO4(0＜x≤3)或(NH4)3PO4。
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