[发明专利]一种铜锌锡硫硒半透明太阳能电池器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铜锌锡硫硒半透明太阳能电池器件及其制备方法，以半透明掺氟的氧化锡(FTO)或FTO‑MoO₃为背电极，由钠钙玻璃、FTO/FTO‑MoO₃背电极、铜锌锡硫硒吸收层、硫化镉缓冲层、高阻本征氧化锌窗口层、低阻氧化铟锡窗口层、镍铝或银电极组成该铜锌锡硫硒半透明太阳能电池器件。其制备方法是，采用商用的FTO导电玻璃，将其清洗干净，可在上面蒸镀不同厚度的MoO₃，然后依次制备各层薄膜，得到以FTO/FTO‑MoO₃为背电极的铜锌锡硫硒半透明太阳能电池器件。半透明背电极的使用为薄膜太阳能电池的应用增加了许多可能，包括从背面产生电能，因此成为双面设备，具有极大的工业应用潜力。

技术领域

本发明属于太阳能技术领域，具体涉及一种铜锌锡硫硒半透明太阳能电池器件及其制备方法，尤其是一种以FTO或FTO-MoO₃为背电极制备高效的铜锌锡硫硒半透明太阳能电池的方法。

背景技术

随着经济的快速发展，人们对能源和环境问题越来越关注。解决日益突出的能源短缺和环境污染问题是实现可持续发展、提高人民生活质量的迫切需要。因此，可再生能源的开发和大规模应用已经上升到了国家发展战略的高度。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，具有清洁、无污染、可永续利用、储量巨大和分布广泛等优点。在过去的几十年中，基于CdTe和Cu(In,Ga)Se₂(CIGS)吸收层材料的薄膜太阳能电池得到了非常快速的发展，目前CdTe太阳电池的实验室效率为22.1％，CIGS太阳电池的目前实验室效率为23.35％，而且已经实现了商业化。但是，由于Cd有毒，In，Ga，Te为稀有金属，导致基于这些薄膜材料光伏器件的产业化受到了制约。因此，寻找一种安全环保、原料储量丰富的薄膜材料成为了研究热点。四元化合物Cu₂ZnSnS₄(CZTS)和Cu₂ZnSnSe₄(CZTSe)半导体材料有望成为目前商业化的太阳能电池吸收层CdTe和Cu(In,Ga)Se₂(CIGS)的理想替代品。CZTS为直接带隙半导体，拥有超过10⁴cm^-1的光吸收系数，理论转换效率达32.2％。利用同为Ⅵ族的Se代替CZTS中的S，还可以制备出带隙在1.0～1.5eV范围内可调的铜锌锡硫硒太阳能电池。铜锌锡硫类太阳能电池最大的优势就在于其元素组成来源广、丰度高、毒害低，是一种理想的绿色光伏材料。

铜锌锡硫膜层材料的制备方法主要分为真空法和溶液法两大类。传统的真空制备法以高真空环境为基础，其材料制备过程能耗高，材料利用率较低。溶液法以化学溶液为基础，无需真空环境，其能耗较低，可用于大面积成膜，还具备提高材料利用率和低温加工等优点。同时，基于常规的CZTSSe的太阳能电池，通常使用金属Mo背电极，使得光无法穿过背电极。透明背电极在光伏应用中的使用为薄膜设备系列增加了许多可能的技术应用，也包括从背面产生电能，因此成为双面设备，而且对一些先进的光伏应用(如建筑物集成和高效串联设备)也非常重要。

通常，使用透明导电氧化物(TCO)作为CZTSSe的背电极，来替代Mo以实现基底透明。在不同的TCO中，氟掺杂的氧化锡(FTO)的高热稳定性(与其他TCO(如AZO和ITO)相比)与高透光率使其成为基于Kesterite的器件的理想选择。直接使用FTO进行CZTSSe太阳能电池器件制备，效率远低于在标准不透明SLG/Mo基底上制造的CZTSSe器件的值。主要原因在于p-kesterite/n-TCO界面之间的非欧姆的复杂行为可能阻碍电荷提取。其中，MoO₃可以增强界面的欧姆性，以及通过减少价带偏移提高器件性能。

综上，本发明将公开一种简单、新颖的以半透明FTO或FTO-MoO₃为背电极，并通过前驱体溶液法制备得到效率超过11％的高效铜锌锡硫硒半透明太阳能电池。

发明内容