[发明专利]一种CdTe纳米晶异质结太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电器件领域，特别涉及一种CdTe纳米晶异质结太阳电池及其制备方法。

背景技术

环境恶化和能源短缺已成为人类21世纪所面临的主要问题，寻找清洁的能源和可再生能源已经成为世界各国共同关心的问题。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，它不会改变地球的热能平衡，也是清洁能源，不产生任何的环境污染。目前，市场上技术比较成熟的太阳电池主要为基于晶硅、碲化镉、砷化镓、磷化铟以及多晶膜化合物半导体等无机太阳能电池，其中，晶硅太阳电池已经得到一定规模的应用。经过多年的发展，晶硅电池的最高效率可达30％以上，商用电池的效率达到12%以上。其它电池如CdTe化合物薄膜商业化应用效率也达到10%，也有一定的应用市场，值得注意的是，这些基于传统的加工方法制备的太阳电池，对材料纯度的要求非常高，需要大量的真空设备以防止材料污染，电池的厚度通常比较厚，而且利用率比较低，造成大量的浪费，因而其价格始终无法与传统的能源相比。

基于旋涂方法制备无机纳米晶太阳电池的研究工作在20世纪末才开始，2005年，Alivisatos（I.Gur,N.A.Fromer,M.L.Geier,A.P.Alivisatos,Science,2005,310,462.）研究小组借鉴有机聚合物溶液成膜的方法，引入CdTe和CdSe纳米晶分别作为给体-受体材料，通过表面修饰将纳米晶溶解在吡啶溶剂中，采用旋涂的方法成功制备了全无机纳米晶太阳电池，电池的结构为：ITO/CdTe(100nm)/CdSe(100nm)/Al，其中CdTe为给体层，开创溶液法加工无机纳米晶太阳电池的先河，CdTe吸收太阳光并产生电子空穴对，CdSe作为窗口层用于传输电子，整个器件构成典型的二极管结构，在标准AM1.5模拟太阳光照射下，短路电流达到13mA/cm²，但是开路电压只有0.4V左右，因此器件的转化效率只有2.9%，开路电压过低，CdTe和CdSe能级匹配程度不高是造成电池效率偏低的主要原因；Anderson等（J.D.Olson,Y.W.Rodriguez,L.D.Yang,G.B.Alers,S.A.Carter,Appl.Phys.Lett.,2010,96,242103.）在此基础上，开发了非铝金属电极，并研究了CdTe、CdSe层厚度对器件性能的影响，发现通过增加CdTe层的厚度可以获得好的能量转化效率，最好器件的转化效率也仅为2.6%。覃东欢等采用层层旋涂烧结的方法制备了ITO/CdTe(500nm)/Al肖特基结太阳电池，能量转化效率达到5.15%，是同类器件的最高水平（S.Sun,H.M.Liu,Y.P.Gao,D.H.Qin,J.Materials.Chemistry.,2012,517,6853–6856.）；Jasieniak等人（J.Jasieniak,B.I.MacDonald,S.E.Watkins,P.Mulvaney,Nano Lett.,2011,11,2856.）引入ZnO纳米晶作为受体材料，制备了CdTe-ZnO纳米晶异质结电池，效率达到7.3%，而且拥有一定的稳定性；值得注意的是，这些CdTe纳米晶太阳电池，无论是肖特基结构还是异质结结构，都存在一定的问题：活性层CdTe直接旋涂在ITO上，而光是从ITO的一侧入射，因此肖特基结或者p-n结处于远离入射光的另一侧，对于载流子的分离和传输极为不利，光生载流子需要经过比较厚的活性层才能到达结区，在传输过程中就不可避免有复合，从而不利于充分利用入射的太阳光；另一方面，ITO作为阳极，而阴极主要采用Al等低功函数金属，这种金属容易氧化，器件的稳定性就难以得到保证。另一种比较成功的纳米晶太阳电池是PbS-PbSe纳米晶，2010年，Sargent等人（J.Tang,X.Wang,L.Brzozowski,D.A.R.Barkhouse,R.Debnath,L.Levina,E.H.Sargent,Adv.Mater.,2010,22,1398.）报道了PbS纳米晶肖特基太阳电池，器件的结构为ITO/PbS/LiF/Al，器件的短路电流和开路电压分别为14mA/cm²和0.51V，填充因子达到51%，相应的效率达到3.6%；最近研究通过引入有机界面材料，将这种结构器件的效率提高到4.07%；与此同时，Sargent研究小组（J.Tang,H.Liu,D.Zhitomirsky,S.Hoogland,X.Wang,M.Furukawa,L.Levina,E.H.Sargent,Nano Lett,12(2012)4889-4894.）通过引入TiO₂受体材料，与PbS形成异质结电池，效率超过7%，相关的工作大多发表在Nature及其子刊上，值得注意的是，PbS纳米晶的带隙通过调控反应条件可以得到很好的控制，其相应的吸收边缘正好落在近红外区域，这为红外光谱的利用提供了非常便利的条件，因而研究得到高度的重视；但是这些纳米晶电池一样存在严重的效率衰退问题，如何解决这个问题将是今后研究的重点。总而言之，虽然目前无机纳米晶太阳电池的转化效率仍然比传统的有机太阳电池要略低，但通过对给体和受体材料的创新设计并改善给受体界面的相结构并对器件结构进一步优化设计，有望进一步提高其光电转化效率，接近商业化应用的12%，从而让人们看到了低成本高效新型太阳电池应用的曙光。