[发明专利]一种基于硫属亚铜化合物的核壳结构异质结太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种径向异质结太阳能电池及其制备方法，具体地说是基于硫属亚铜化合物的核壳结构异质结太阳能电池及其制备方法。

背景技术

随着集成电路小型化、微型化发展，高性能、低功耗微纳器件的制备已成为研究热点。结晶良好的准一维纳米结构由于显著低于体相材料的制备成本和优于薄膜材料的电输运特性，在新型微纳器件领域受到了极大的关注。以纳米线太阳能电池为例，与体相太阳能电池及薄膜太阳能电池相比，纳米线太阳能电池有望在缩小器件尺寸的同时，显著减小材料成本与制造成本，获得相当的器件性能。

硫属亚铜化合物由于具有较大的少子扩散长度和较大的可见光区域吸收系数(10³-10⁵cm^-1)，是薄膜太阳能电池领域研究最早的吸收层材料之一。近年来，随着纳米制备技术的发展，基于其的纳米线太阳能电池也有了显著的进展。

印度理工学院德里分校的Varandani等将CuCl真空蒸镀到单根CdS纳米线上，通过其扩散与反应，实现了具有显著光伏特性的上下异质结结构CdS-Cu_xS纳米线的制备(Nanotechnology,2011,22,135701)，首次制备了基于硫属亚铜化合物的纳米线太阳能电池。

此后，加州大学伯克利分校杨培东教授也以单根CdS纳米线为基础，以原子层沉积(ALD)的Al₂O₃为掩膜，通过CuCl溶液中的液相阳离子置换反应及氢氟酸缓冲液刻蚀去除Al₂O₃掩膜后，实现了CdS-Cu₂S核壳结构径向异质结太阳能的制备，利用单晶的Cu₂S壳层、良好的异质结界面接触以及核壳结构径向异质结较大的异质结界面、较短的载流子传输路径等特点，实现了转化效率达5.4％的单根CdS-Cu₂S核壳结构纳米线太阳能电池的制备(Nature nanotechnology,2011,6,568)。

为避免重金属元素Cd的使用，本发明的发明人所在课题组尝试以液相合成的硫属亚铜化合物纳米线为基础，构建了CuS-ITO肖特基结太阳能电池(发明专利号：ZL 201210053645.2)和以脉冲激光沉积(PLD)的In₂S₃薄膜为缓冲层的纳米线太阳能电池(发明专利申请号ZL 201610035612.3)。

以上纳米线太阳能电池的制备过程中，高运行成本、工艺复杂的高真空蒸镀设备如原子层沉积、脉冲激光沉积的使用，提升了纳米线太阳能电池的制备成本和工艺复杂度，阻碍了其进一步推广。

发明内容

在现有技术存在的基础之上，本发明旨在构建基于硫属亚铜化合物的核壳结构异质结太阳能电池，在纳米太阳能电池领域有着重要的意义，所要解决的技术问题是通过简单的液相阳离子置换反应，将核壳结构异质结的形成过程与太阳能电池制备工艺相结合，实现核壳结构异质结太阳能电池的制备。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明基于硫属亚铜化合物的核壳结构异质结太阳能电池，其特点在于：是以上表面覆有绝缘层的硅基衬底为基底，在所述绝缘层上分散硫属亚铜化合物准一维纳米结构，在所述硫属亚铜化合物准一维纳米结构的一端沉积第一金属薄膜电极，形成欧姆接触；通过紫外曝光技术，在第一金属薄膜电极上覆盖一层光刻胶阻挡层；通过液相阳离子置换，将未被光刻胶阻挡层覆盖的硫属亚铜化合物准一维纳米结构表面置换成铟的硫属化合物，形成以硫属亚铜化合物为核、以铟的硫属化合物为壳的核壳结构异质结；去除光刻胶阻挡层，通过紫外曝光和热蒸发技术，在铟的硫属化合物上方沉积第二金属薄膜电极，形成欧姆接触，第一金属薄膜电极与第二金属薄膜电极之间通过硫属亚铜化合物准一维纳米结构-核壳结构连通，即构成基于硫属亚铜化合物的核壳结构异质结太阳能电池。

其中：

所述硫属亚铜化合物准一维纳米结构的化学结构式为Cu_2-xA，其中A为硫元素或硒元素，0≤x≤0.25；所述硫属亚铜化合物准一维纳米结构为纳米线、纳米棒、纳米管或纳米带；所述硫属亚铜化合物准一维纳米结构的轴向长度不小于10μm，径向长度为100-1000nm。

所述绝缘层为SiO₂、Si₃N₄或HfO₂；所述绝缘层的电阻率大于1×10³Ω·cm、厚度为100-500nm。