[发明专利]一种柔性铜基硫属半导体薄膜太阳电池窗口层结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性铜基硫属半导体薄膜太阳电池窗口层结构，属于太阳电池领域。

背景技术

柔性太阳电池是薄膜太阳电池的一种。它采用柔性衬底取代传统的玻璃衬底，可以弯曲折叠，便于携带。其优点在于形态柔软，尺寸可调，轻薄，安全且环保。因为其柔性，薄膜太阳电池可铺贴在汽车表面、家庭内墙面以及家庭外墙面等任意形状的物体上，其应用领域包括光伏建筑一体化、太阳能背包、太阳能敞篷以及太阳能手电筒等。柔性太阳电池可采用卷对卷的制备方式，有工业化大规模生产的潜力。

然而，目前柔性太阳电池的窗口层大多采用溅射法制成的下层高阻本征ZnO薄膜(i-ZnO)和上层低阻透明导电氧化物(transparent conductive oxide,TCO)。使用这种窗口层的太阳电池在应用方面显示出以下问题：首先，所使用的ZnO薄膜具有较高的红外光吸收特性，限制了光生电流密度；其次，使用溅射法制备，不可避免地造成了对底层薄膜的物理损伤；再者，ZnO薄膜脆性高、柔韧性差，导致此类太阳电池抗弯折性能不强；最后，上层透明导电氧化物薄膜主要采用In、Sb、Sn、Zn和Cd的氧化物及其多元复合氧化物薄膜材料，其脆性高，杂质离子易扩散，且制备昂贵。

石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；常温下其电子迁移率超过15000cm²/(V·s)，而电阻率甚至比铜或银更低(只约10^-6Ω·cm)，因而电子在该材料上的运动速度极快，从而被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。正因为这种高导电性及光学透明性，太阳电池领域的专家学者更是热衷于石墨烯用作太阳电池透明前电极(TCO)的研究，典型的两个例子如：2011年上海硅酸盐研究所(Adv.Mater.2011,23,3202-3206)研究了以石墨烯为透明顶电极的碲化镉薄膜太阳电池，2014年香港中文大学(Nanoscale,2014,6,10879-10886)研究了以石墨烯为透明顶电极的铜铟镓硒薄膜太阳电池。但是两者在刚性基底上进行研究获得的太阳能电池的效率分别为4.17％和13.5％，都远低于碲化镉薄膜太阳电池以及铜铟镓硒薄膜太阳电池的效率(分别是20.4％和20.8％)。并且由于石墨烯与本征ZnO晶格失配，这类太阳电池的器件效率还会受到抑制，香港中文大学的研究也有类似的表现，即他们采用这种结构窗口层的铜铟镓硒薄膜太阳电池效率反而还低于相同条件下制备的以高阻本征ZnO和低阻掺Al-ZnO为窗口层的太阳电池效率。这种以石墨烯作为透明顶电极的太阳电池无法摆脱高阻本征ZnO，并且在刚性太阳能电池中的使用又存在缺陷，因此导致石墨烯材料在太阳能电池中的应用受到限制。

发明内容

针对现有技术中柔性太阳电池的窗口层存在膜层抗弯折性差、溅射过程物理损伤大、成本高的缺陷，本发明的目的在于提供一种以石墨烯材料替换包括高阻本征ZnO薄膜和低阻透明导电氧化物的脆性窗口层，获得具有较好柔韧性的铜基硫属半导体薄膜太阳电池窗口层结构，该铜基硫属半导体薄膜太阳电池窗口层结构避免了溅射法制备窗口层时给底层薄膜带来物理损伤，且大大降低了太阳电池的成本。

本发明提供了一种柔性铜基硫属半导体薄膜太阳电池窗口层结构，由下至上依次为柔性基底、铜基硫属半导体薄膜吸收层、缓冲层和窗口层，所述的窗口层是由石墨烯层和通过掺杂、加氢、光刻或边缘修饰改性处理的改性石墨烯层组成的复合层。

优选的柔性铜基硫属半导体薄膜太阳电池窗口层结构中复合层包括下层改性石墨烯层和上层石墨烯层。

优选的柔性铜基硫属半导体薄膜太阳电池窗口层结构中，下层改性石墨烯层中改性石墨烯的导电类型为n型，带隙＞3eV，方阻＞10kΩsq^-1，在350～2200nm波长范围内的透光率>80％；上层石墨烯层中的石墨烯方阻＜400Ωsq^-1，透光率>96％。

优选的柔性铜基硫属半导体薄膜太阳电池窗口层结构中石墨烯通过化学气相沉积法或氧化-还原法制备得到；改性石墨烯在石墨烯的基础上进行掺杂、加氢、光刻或边缘修饰改性处理得到。

本发明的石墨烯和改性石墨烯的制备方法为现有技术中的常规制备方法：以下例举：