[发明专利]掺氧II-VI族半导体材料、薄膜及其制备的太阳能电池

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种掺氧II-VI族半导体材料、薄膜及其制备的太阳能电池。

背景技术

传统半导体的能带结构和原理如图1所示，其中Efe是半导体材电子费米能级，Efv是半导体空穴费米能级。当一个具有能量为hv1的光子被半导体材料吸收时，其产生的光伏电能输出为eVout。其中光子hv1的能量需要与半导体材料的带宽相当时，才会有比较高效的光伏转换效率。也就是说，对于一种用作光电转换的半导体材料，其对太阳光谱的吸收会集中在某个波长，所以其最终光电转换效率也就比较有限。

II-VI族半导体由II族元素如Be、Mg、Zn、Cd、Hg等与VI族元素如O、S、Se、Te等化合而成。由于II-VI族半导体具有很大的禁带宽度范围，直接跃迁带隙等特点，一直是光电子领域的研究热点，其应用主要有以下几个方面：CdHgTe应用于红外探测器，ZnSeTe用作蓝光发光二极管，ZnMgO用于紫外光的探测，CdTe作为薄膜太阳能材料。

太阳能作为一种可再生的新能源，越来越引起人们的关注。光伏发电是太阳能利用的一种方式，因其节能和环保的效果，受到广泛的重视。当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。假如把地球表面0.1％的太阳能转为电能，转变率5％，每年发电量可达5.6×10¹²千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。从能源供应安全和清洁利用的角度出发，世界各国正把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展趋势。欧盟、日本和美国把2030年以后能源供应安全的重点放在太阳能等可再生能源方面。预计到2030年太阳能发电将占世界电力供应的20％以上，2050年达到50％以上。大规模的开发和利用使太阳能在整个能源供应中将占有一席之地。

最近几年光伏发电发展迅速，光伏技术不断进步，光伏发电的成本不断的降低，使得光伏发电成为最近几年发展最迅速的产业。光伏技术发展至今，作为第一代光电池的晶体硅光伏电池始终是商品化光伏电池的主流。高纯多晶体硅材料也就成为光伏产业链上最重要的环节，其价格持续上涨。由于光伏产业的迅速发展，多晶体硅原材料的紧缺状况越来越严重，已经成为整个光伏产业链的瓶颈，不但限制了太阳电池产量的增长，而且使太阳电池组件的成本居高不下。除此以外，多晶体硅原材料的生产与提纯过程中需要消耗大量的电力以及产生对环境污染的大量非可再生废料，严重制约了整个光伏产业和市场的发展。

作为第二代光电池，薄膜类太阳能电池具有原材料消耗少，基底可弯折，以及成本较为低廉的特点。目前各研发机构和生产厂商已报道或推出了各类薄膜太阳能电池，包括非定型硅太阳能电池、砷化镓(GaAs)III-V族化合物、碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CuInGaSe)等多元化合物电池、功能高分子材料制备的大阳能电池以及纳米晶太阳能电池等。但上述的薄膜太阳能技术都有着比较大的局限性，包括相对较低的转化效率(非定型硅和碲化镉薄膜电池：6-8％)，有毒(碲化镉薄膜中是一种有毒元素，对人体和环境都非常有害)，以及材料的高成本(铜铟镓硒薄膜中的铟元素非常贵，且铟和硒为稀有元素，其来源有限)。

发明内容

本发明利用间隙能带的原理，首次利用在II-VI族半导体，如ZnTe，ZnSe或ZnTe_1-xSe_x(0＜x＜1)中掺氧产生的两个或更多能级分别吸收光源(如太阳光)中不同的光谱，制备出掺氧II-VI族半导体材料。

碲化锌是一种直接禁带半导体材料，其能带宽度在室温(25℃)时为2.29eV(电子伏)。由于材料存在天然的缺陷，碲化锌材料在未经掺杂时为P-型半导体。通过掺氧到碲化锌材料里，根据能带反穿越模型(bandanti-crossing model)，碲化锌的能带中的导带结构会被相应地分裂成两个，如图2所示为本发明所提供的掺氧II-VI族半导体材料的能带结构和原理示意图，由于能带分裂，使得能量分别为hv1、hv2、hv3的光子都有可能被掺氧II-VI族半导体材料吸收并产生光电转换，从而大大提高其作为半导体材料的光电转化效率。

本发明的目的在于，提供一种新型的掺氧II-VI族半导体材料。

本发明的另一目的在于，提供所述掺氧II-VI族半导体材料的制备方法及其用途。