[发明专利]光电半导体银铜复合氧化物薄膜材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型光电材料，特别是涉及化合物光电半导体材料复合氧化物薄膜及其制备方法和应用。属光电转换材料技术领域。

背景技术：

公知的光电转换材料主要有以下几种：

1.单晶硅光电半导体材料

单晶硅太阳电池是当前开发较为先进的一种太阳电池，它的结构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999％以上。其特点是光电转换效率较高，光吸收系数较多晶硅有所提高，缺点是生产成本较高，工艺较复杂，不能广泛使用和工业化生产受限制。

2.多晶硅光电半导体材料

目前能大量工业化生产的光电材料最广泛的是多晶硅，因其成本较低约占市场的80％，太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材料利用率和方便组装。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率在12％左右，稍低于单晶硅太阳电池，但其材料制造简便，电耗低，总的生产成本较低，因此得到广泛应用。

3.非晶硅光电半导体材料

非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，硅材料消耗少，电耗较低。非晶硅太阳电池的结构各有不同，其中有一种是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅，再沉积一层未掺杂的层，然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。此种制作工艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程序，以实现大批量生产。同时，非晶硅太阳电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。

4.化合物光电半导体材料

化合物半导体薄膜太阳电池主要有铜铟硒(CIS)和铜铟镓硒(CIGS)、镉碲(CdTe)、砷化镓(GaAs)等，它们都是直接带隙材料，带隙宽度在1.1-1.6eV之间，具有很好大范围太阳光谱响应特性，所需材料只要几个微米厚就能吸收阳光的绝大部分，是制作薄膜太阳电池的优选活性材料。GaAs带隙宽度1.45eV，是非常理想直接迁移型半导体材料，在GaAs单晶衬底上生长单结电池效率超过25％，但价格较高，仅在特殊用途中有应用，如航天器专用帆板等，CIS和CIGS电池中所需CIS、CIGS薄膜厚度约几十微米，吸收率高达10⁵。CIS电池的带隙约为1.04eV，是接近迁移型半导体，为了提高效率，只要将Ga替代CIS材料中部分In，形成Culn_1-xGa_xSe₂(简称CIGS)四元化合物，掺Ga目的将带隙宽度调到1.5eV，因而CIGS电池效率较高，是目前最具潜力的一种太阳能电池材料。CIS和CIGS电池由于廉价、高效、性能稳定和较强的抗辐射能力得到各国的重视，成为最有前途新一代太阳电池，非常有希望在未来十年大规模应用，其缺点是Se、In都是稀有元素，大规模生产材料来源受到一定限制。CdTe电池的带隙为1.5eV，光谱响应与太阳光谱十分吻合，性能稳定，光吸收系数极大，厚度为几十微米的薄膜，足以吸收大于CdTe禁带能量的辐射能量的99％，是理想化合物半导体材料，理论效率为30％，是公认的高效廉价薄膜电池材料。缺点是Cd有毒，会对环境产生污染，因此CdTe电池在广泛的民用领域收效甚微，仅限用在空间等特殊环境。

公知的光电转换半导体材料是以半导体元素组成的，这些材料通常是第三为辅、第四和第五主族元素为主的一种或几种构成的。目前公知的光电材料存在的缺陷总结如下：多晶硅材料由于价廉被应用于绝大多数太阳能材料，但其是一种间接带隙半导体材料，不能很好的进行太阳能光子吸收，其跃迁受到一定限制，导致其光吸收系数较低，能源利用率较低；与其相比，化合物半导体光电材料具有良好的光电吸收系数，但有的含有稀缺元素，如铟(In)，硒(Se)等，有的则含有有毒元素，如镉(Gd)，砷(As)等，而且化合物半导体材料整体工艺较复杂，导致其成本较高，目前还很难和多晶硅材料竞争。

发明内容