[发明专利]一种氧化亚铜薄膜及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种氧化亚铜薄膜及其制备方法与应用。本发明采用溶液法简易制备氧化亚铜薄膜，并将制备的氧化亚铜薄膜应用在高效氧化亚铜/硅异质结太阳能电池中。本发明采用一步法快速、高效地实现碘化亚铜薄膜原位氧化反应得到氧化亚铜薄膜，并且成功地制备出高效的氧化亚铜/硅异质结薄膜太阳能电池，其中填充因子高达70.47％，效率也达到7.59％。与传统的真空法制备的太阳能电池相比，本发明提供的一价铜离子溶液法具有工艺简单、成本低廉、快速高效、重复性高等优点，将有助于其他过渡金属氧化物与硅异质结太阳能电池的大规模应用推广。

技术领域

本发明属于太阳能电池制备技术领域，具体涉及一种氧化亚铜薄膜及其制备方法与在氧化亚铜/硅异质结太阳能电池中的应用。

背景技术

太阳能是一种清洁可持续的绿色能源，为解决人类能源衰竭问题带来了曙光。太阳能电池可以直接将太阳光转换为人类可利用的电能，因此受到研究者的广泛研究。目前商业化的太阳能电池仍然是以硅太阳能电池为主。但是传统的硅太阳能电池由于制备工艺复杂、成本高昂而严重阻碍了太阳能电池的应用与普及。

传统硅基太阳能电池主要是由于其制备过程中需要通过离子注入和高温烧结的方法来形成p-n结，导致其制备周期长、工艺复杂、成本昂贵。近年来，由于过渡金属氧化物薄膜/硅异质结太阳能电池的制备方法简易，而受到研究者的青睐，并且已有报道将氧化钼/硅异质结太阳能电池效率提升至22.5％，与传统单晶硅太阳能电池效率相媲美(Applied Physics Letters 2015,107,081601.)。过渡金属氧化物与硅异质结结合，避免了传统离子掺杂及高温后处理等硅基器件流程，高效制备高性能氧化物薄膜将有望大幅降低硅基太阳能电池器件的成本，有助于过渡金属氧化物/硅异质结太阳能电池大规模应用和普及。

Cu₂O材料是天然的p型半导体，具有无毒环保，其禁带宽度2.1eV，在可见光区域具有较高的光吸收系数和光电转换效率。理论上单结Cu₂O电池效率可达20％。Cu₂O具有储量丰富，价格低廉，在太阳能电池应用方面具有较高经济价值。目前氧化亚铜薄膜的制备方法主要是热蒸发法、磁控溅射法等高真空镀膜技术，例如：谢等人提出采用热蒸发镀膜方法制备Cu₂O薄膜，构建Si基异质结太阳能电池(Advanced Materials Interfaces 2017,4,1600833.)，开路电压0.42V，填充因子42.67％，最高光电转换效率为3.24％；新加坡Masudy-panah等人报道了磁控溅射法制备界面富铜的CuO薄膜，构建硅基太阳能电池，开路电压为421mV，最高效率1.21％。Izaki等报道了电化学沉积法低温制备的Cu₂O薄膜，构建p-Cu₂O/n-ZnO异质结太阳能电池，最高转换效率1.28％(Journal of Physics D:AppliedPhysics 2007,40,3326.)。Nishi和Minami等人通过700℃空气条件下热氧化法制备Cu₂O薄膜，进一步通过氮气下500℃进行Na离子掺杂，将转换效率提高到8％(Applied PhysicsExpress 2016,9,052301.)，这也是目前所报道的最高值。然而，上述公开的制备方法存在诸多不足限制了应用范围。例如真空镀膜制备方法对设备的要求高、成本昂贵、周期较长；电化学方法虽然简单，但薄膜厚度较难精确控制，且器件效率较低；热氧化法需要精确控制氧化温度和时间，同时需要高温掺杂的过程，虽然器件效率较高，但制备周期较长，耗能耗时，不利于工业化生产及太阳能电池的大规模应用。上述报道的光电转换效率远低于理论值，原因主要有两点：其一，氧化亚铜薄膜厚度远大于其光生载流子在薄膜中的最大传输距离；其二，Cu₂O基异质结界面存在大量界面态，导致异质结界面能带不匹配，易导致界面复合。因此，寻找一种迅速制备过渡金属氧化物薄膜的方法，优化和降低异质结界面态密度，将对进一步提高过渡金属氧化物/硅异质结太阳能电池变得十分重要。