[发明专利]一种氧化亚铜基异质结太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法，具体涉及一种氧化亚铜基异质结太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。

背景技术

现如今，人类对可持续发电的需求促进了人们对新型光伏材料的研究，科学界一直致力于寻找性能佳、成本低的材料。一项最近的报导显示，有九种无机半导体材料被认为既具有优异的发电潜能又具有材料提取成本低于晶体硅的优点。其中，氧化亚铜在传统太阳能面板和集成太阳能电池上的应用潜能受到了极大的关注。氧化亚铜是一种本征p型的半导体材料，这是由其晶体内部的铜空位形成受主能级而造成的。Cu₂O是直接禁带半导体，其禁带宽度为2.1eV，因此在可见光区域有较高的吸收系数和光电转换效率。根据肖克利-奎伊瑟极限，单结Cu₂O太阳能电池效率理论上可达20%。但由于难以制得N型氧化亚铜，Cu₂O与本征N型的ZnO宽禁带半导体做成异质结，形成TypeⅡ型能带结构，可实现光生载流子的产生和分离，理论能量转换效率（PCE）约为18%。

目前关于Cu₂O基太阳能电池的研究中，大部分是双层膜结构或者Cu₂O薄膜与另一种材料的纳米柱薄膜的结合。其中Izaki等（J. Phys. D: Appl. Phys. 2007, 40, 3326–3329）利用电化学沉积法制备的双层结构的太阳能电池短路电流密度为3.8mA/cm2，开路电压为0.59V，填充因子为0.58，能量转换效率为1.28%，这在电化学沉积法制得的太阳能电池中转换效率是最高的。意大利的Mittiga等（Appl. Phys. Lett. 2006, 16, 3502）采用热氧化法制备氧化亚铜薄膜，再利用离子束溅射法沉积一层TCO薄膜。得到了短路电流密度6.78mA/cm²，开路电压0.595V，填充因子0.50，能量转换效率2%。Nishi和Minami等人通过不断优化氧化亚铜的热氧化工艺，以及在Cu₂O与ZnO中间插入阻挡层等方法，将转换效率提高到约5.23%，这也是目前所报道的最大值。在上述方法中，太阳能电池转换效率与理论值相差很多，一方面限制太阳能电池转换效率的原因是：氧化亚铜薄膜吸收90%入射光所需的厚度远大于氧化亚铜薄膜中光生载流子的最远传输长度；另一方面，由于两种材料的界面处存在大量界面态，且两种材料的能带不匹配，产生的光生载流子在界面处容易产生界面复合，降低了光生载流子的分离效率，两方面原因使得光生载流子不能有效的分离和收集，使得光电转换效率很低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种开路电压大，光电转换效率高的氧化亚铜基异质结太阳能电池及其制备方法。

本发明的氧化亚铜基异质结太阳能电池，在衬底上自下而上依次有铬金复合电极、氧化亚铜层、ZnO:S缓冲层、ZnO:Al层和铝栅电极，所述的ZnO:S缓冲层厚度为10nm，硫的原子百分比为9%，所述的ZnO:Al层载流子浓度大于10²¹ cm^-3，方块电阻小于50Ω/□。

上述技术方案中，所述的铬金复合电极中铬层厚度通常为8nm, 金层厚度为100～120nm。

所述的氧化亚铜层的厚度通常为2.5μm±100nm。

所述的铝栅电极的厚度通常为1μm，其栅间距为0.5㎜。

所述的衬底可以是如石英衬底、玻璃、硅片等硬质衬底，也可以采用柔性衬底。

制备上述的氧化亚铜基异质结太阳能电池的方法，包括如下步骤：

1）在洁净的衬底上依次蒸镀铬、金制备铬金复合电极；

2）在上述铬金复合电极表面采用电化学沉积法生长氧化亚铜层，并在铬金复合电极表面预留用于电池测试的面积；

3）在上述氧化亚铜层表面依次沉积生长ZnO:S缓冲层和 ZnO:Al层；

4）在ZnO:Al层表面制作铝栅电极，获得氧化亚铜基异质结太阳能电池。

本发明中采用ZnO:S作为缓冲层，可以有效提高太阳能电池的光电转换效率：该结构在Cu₂O与ZnO:Al的界面处形成一个电子阻挡层，即形成一个能量势垒，有效阻挡电子和空穴的界面复合；同时大大减小了异质结界面的缺陷密度，从而降低了pn结反向饱和电流，进一步增大了太阳能电池的开路电压。这两方面的作用可提高光生载流子的分离和收集，从而有效提高太阳能电池的光电转换效率。