[发明专利]光伏材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，尤其是涉及一种光伏材料及其制备方法和在太阳能电池中的应用。

背景技术

近年来，太阳能电池材料的发展逐渐由以晶体硅为代表的第一代太阳能电池，向更低成本的第二代薄膜太阳能电池发展。以晶体硅为代表的第一代太阳能电池和第二代的薄膜太阳能电池的发展已经日趋成熟。然而这两类电池均采用单个能隙吸收太阳能，能量低于能隙的光子无法得以利用(图1左2过程)，同时能量高于能隙的光子的能量又无法完全得以转化(图1左3过程)，所以根据Shockley-Queisser理论，极限转化效率只能达到31％。

第三代太阳能电池的研究，突破传统单能隙吸收材料采用单个能隙吸收太阳能对光利用率较低的缺点，通过新型的材料或者器件来拓宽太阳光吸收光谱，中间带材料太阳能电池是其中的典型代表(图1右所示)。如今对中间带太阳能电池的研究多依托于较为成熟的第一代、第二代太阳能电池材料。为了达到最大的转化效率，单能隙材料和中间带材料对能隙大小有着不同的要求。单带隙材料的最佳能隙在1.1eV左右，而中间带材料的最佳能隙应该在2.0eV左右。因此硅(Si)以及砷化镓(GaAs)材料由于能隙较小(Si约为1.12eV，GaAs约为1.5eV)，不适合作为中间带电池材料。

以铜铟镓硒为代表的铜基半导体材料，其制造工艺已经日趋完善，是理想的第二代薄膜太阳能材料。然而铟和镓元素成本较高，因此对宽带铜基材料中间带掺杂改性以降低成本、增加效率，具有非常重大的意义。

发明内容

基于此，有必要提供一种成本低且能作为杂质中间带材料的光伏材料及其制备方法和在太阳能电池中的应用。

本发明提供一种光伏材料，分子式为CuAl_(1-y)Se_(2-y)X_2y，具有类似CuAlSe₂的正方晶系黄铜矿型结构，X替代部分Al和Se原子的晶格位置，y＝0.05～0.2，并且X为第V族元素。上述材料可以同时吸收近红外和可见波段的太阳光。使用该新型材料作为吸收层制作光伏器件时，既可以具有宽禁带半导体的高电压特性，也具有窄禁带材料的高电流特性，从而使得光伏器件具有更高转化效率。另外上述光伏材料不含铟和镓，降低了成本。

本发明提供一种太阳能电池材料，包括上述分子式为CuAl_(1-y)Se_(2-y)X_2y的光伏材料。与单带隙(带隙宽度约为2.7eV)的CuAlSe₂中相比，上述光伏材料具有2.5eV左右的能隙，由于中间带的存在，由其制备的太阳能电池，理论效率达48％。

本发明还提供了上述光伏材料的制备方法，通过共蒸发法，在高温条件下，将X元素、铜、铝、硒的蒸发靶材加热蒸发沉积成CuAl_(1-y)Se_(2-y)X_2y光伏材料。该制备方法基于传统铜基半导体材料制备方法，工艺简单，经济有效。

附图说明

图1为单能隙材料与中间带材料的能带对比图；

图2为CuAlSe₂的晶体单胞结构示意图；

图3为当X取代CuAlSe₂的部分Al原子和Se时原子的晶体超单胞结构示意图；

图4为CuAl_(1-y)Se_(2-y)X_2y材料中X为P元素时形成的杂质中间带的位置图和带宽；

图5为CuAl_(1-y)Se_(2-y)X_2y材料中X为As元素时形成的杂质中间带的位置图和带宽；

图6为CuAl_(1-y)Se_(2-y)X_2y材料中X为Sb元素时形成的杂质中间带的位置图和带宽；

图7为杂质中间带太阳能电池的结构图；

图8为蒸镀样品时的设备结构示意图。

具体实施方式