[发明专利]光伏材料及其制备方法

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。

背景技术

太阳能电池是利用太阳能最有效、最广泛的一种方式，低成本和高效率一直都是太阳能电池技术发展的动力和目标。以单晶硅为代表的第一代太阳能电池和以非晶硅薄膜为代表的第二代太阳能电池都无法同时满足高效率和低成本的要求。目前，以叠层太阳能电池和中间带太阳能电池等为代表的第三代太阳能电池能很好地解决高效率和低成本的冲突问题。

传统的太阳能电池材料，吸收太阳能光谱中大于电池材料禁带宽度的高能量光谱，对低于其禁带宽度的低能量光子无法利用，限制了太阳能电池的效率。

利用深能级杂质掺杂技术形成的铜基杂质中间带太阳能电池，除了能够实现一般薄膜电池对可见光波段的吸收利用，还能够实现对红外波段的双光子吸收利用。杂质中间带太阳能电池在不改变开路电压的同时提高电池的短路电流，从而提高中间太阳能电池的转换效率。杂质中间带材料的中间带(IB)加上导带(CB)和价带(VB)形成的三能级系统，就好比是多结电池中的三种禁带宽度，它在单一材料中集成了三层材料的功能，又避免了叠层电池在能带宽度和应力匹配上的两难选择，被认为是下一代高效太阳能电池材料的希望。

当前已有实验成功将InAs的量子点嵌入到GaAs的载体材料，通过分子束外延的方式以岛状与层状混合生长的方式生长成功获得了量子点中间带材料。但是实验材料中的In为稀有贵金属，成本过高。

发明内容

基于此，有必要提供一种成本较低且能作为杂质中间带材料的光伏材料及其制备方法。

一种光伏材料，分子式为Cu(Al_1-y,X_y)Se₂，其中X为第IV主族元素、Ti、V或者Fe，y＝0.03～0.25；所述光伏材料为类似CuAlSe₂的正交晶系黄铜矿型结构，其中X元素替代部分Al原子的晶格位置。

在其中一个实施例中，0.1＜y≤0.25。

在其中一个实施例中，所述光伏材料中的摩尔比为Cu:(Al+X):Se＝1.0:(0.9～1.1):2.0。

在其中一个实施例中，所述光伏材料Cu(Al_1-y,X_y)Se₂中X为Si、Ge、Sn、Ti、V或者Fe中的至少一种。

一种光伏材料的制备方法，所述光伏材料的分子式为Cu(Al_1-y,X_y)Se₂，y＝0.03～0.25，其中X为第IV主族元素、Ti、V或者Fe，具体包括以下步骤：

采用共蒸镀法分别加热或者用电子束蒸发铜、铝、硒及X元素的靶材，在衬底的表面沉积制备所述光伏材料，所述光伏材料为类似CuAlSe₂的正交晶系黄铜矿型结构，其中X元素替代部分Al原子的晶格位置。

在其中一个实施例中，所述铜、铝、硒的靶材的加热温度由以下步骤确定：采用共蒸镀法分别同时加热铜、铝、硒的靶材，在衬底表面沉积生成正交晶系黄铜矿型结构的CuAlSe₂材料，并且该CuAlSe₂材料的摩尔比组成为Cu:Al:Se＝1.0:(0.9～1.1):2.0。

在其中一个实施例中，所述衬底为镀有钼层的玻璃基板。

在其中一个实施例中，在衬底的表面沉积制备所述光伏材料之前先将所述衬底的温度加热至240℃～260℃。

在其中一个实施例中，在衬底的表面沉积制备所述光伏材料的步骤之前还包括步骤：将所述镀有钼层的玻璃基板加热至500℃，在H₂S或者S的氛围中硫化5-20分钟，形成50nm左右的MoS₂层。

本发明提供一种光伏材料Cu(Al_1-y,X_y)Se₂,其中X为第IV主族元素、Ti、V或者Fe，该光伏材料通过共价键结合，有一定的离子键成分，具有正方晶系黄铜矿型结构。与CuAlSe₂材料相比，该Cu(Al_1-y,X_y)Se₂材料实际上是由X元素取代部分Al元素形成深能级，该深能级差不多处于禁带中央，将禁带宽度2.70eV分裂为两个部分，从而产生了杂质中间带；这样能够同时充分吸收和利用对应于带隙为2.7eV以及子带隙的能带宽度的光子。本发明不使用昂贵稀少的金属In，成本较低。