[发明专利]一种基于无机平板异质结的薄膜太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳电池及其制备方法领域，具体为一种基于无机平板异质结的薄膜太阳电池的制备方法。

背景技术

将太阳能转化成电能，实现光伏发电，是利用可再生能源的一种重要方式。光伏发电系统中最关键的是捕获和转化太阳能的装置，即太阳电池。实际应用中的太阳电池需要满足两个基本要求：较高的效率(>10％)和稳定的电池性能(使用寿命>20年)。太阳电池的光活性层是光吸收和自由电荷产生的区域，通常由n-型半导体和p-型半导体组成的异质结薄膜体系构成，对电池的光电转换过程有决定性作用，是太阳电池的关键材料部分。无机半导体材料，具有电荷迁移率高和结构稳定好的优点。目前,大多数效率和稳定性均较高的太阳电池，主要还是基于无机异质结的器件(Prog.Photovolt:Res.Appl.2016,24,3—11)；其中，商品化的电池主要还是以单晶硅p/n结组成光活性层为代表的单晶硅电池，其能量转换效率(η)已达25％。通常，无机异质结太阳电池是通过物理气相沉积和化学气相沉积技术来制备的(Prog.Photovolt:Res.Appl.2004,12,69—92；Front.Phys.2011,6,177—196)。虽然能获得质量好、结晶度较高的无机材料及高效的电池器件，但这些气相沉积制备方法常具有需要复杂的技术和设备、很高的能耗(需要高真空和400—1400℃高温)、高原材料损耗等不足，同时高纯度原材料供应也有限；这些不足的存在，造成电池成本很高，不利于电池的大规模应用。建立新型无机异质结薄膜光电转换材料体系，并实现低成本制备，获得高效的太阳电池，是无机薄膜太阳电池发展中面临的主要挑战。

在薄膜材料制备技术中，简单溶液法的主要技术特征是：先用简单的溶液加工技术(如，旋涂、刮涂、丝网印刷、喷墨打印)实现常温、常压下材料薄膜预沉积，再经常压下较低温度(一般≤500℃)的后续热处理过程，最终获得低成本、大面积的薄膜材料。简单溶液法已被用于制备无机异质结薄膜太阳电池。通常，人们是利用n-型和p-型半导体纳米颗粒的分散液依次成膜，得到异质结薄膜，并以此类异质结薄膜为光活性层制备无机异质结薄膜太阳电池(Nano Lett.2009,9,3749—3755；Nano Lett.2011,11,2856—2864；Nat.Nanotechnol.2012,7,577—582；Sci.Rep.2015,5,10626；Nano Lett.2016,16,4630—4634；Nat.Photonics 2016,10,521—525)。但是，这些现有的简单溶液法制备的无机异质结薄膜太阳电池中，还存在许多技术上的不足。首先，由p-型半导体纳米颗粒(大都为量子点)组成的纳米结构光吸收薄膜层中，存在因小尺寸而带来的缺点；例如，高激子束缚能、低电荷浓度和高浓度的缺陷态、及晶界电接触性能不好等，这些缺点是限制电池性能的重要因素。其次，p-型半导体纳米颗粒的产量受制备方法和技术的限制，还较难满足大规模制备的需要。

在太阳电池中，将纳米结构光吸收材料层转化成块体光吸收膜层(晶粒尺寸大于100nm，且与膜厚相同或相当)，可以克服纳米结构存在带来的不利因素，并提高薄膜在膜法线方向的导电能力(Nano Lett.2009,9,3749—3755；Nano Lett.2011,11,2856—2864；Adv.Mater.2010,22,E254—E258；Solid-State Lett.2012,15,H34—H36；Nat.Photonics 2015,9,409—415；Phys.Chem.Chem.Phys.2015,17,12328-12339；Science 2015,348,1234—1237；Science2016,354,203—206)。如何通过简单溶液法，在n-型半导体薄膜表面原位生长出p-型半导体块体结晶薄膜，获得具有高吸光性能、高电荷传导能力、高致密性、高稳定性特点的高质量无机异质结薄膜，为基于无机异质结的薄膜太阳电池提供关键的光电转换材料体系，仍是一项挑战性的课题，也是低价、高效、无机异质结薄膜太阳电池研发中的核心科学和技术问题。