[发明专利]ZnO/SiC/Si异质结太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法，特别是一种ZnO/SiC/Si异质结太阳能电池及其制备方法。 

背景技术

利用光伏特性制备太阳能电池具有广泛的应用前景，已形成经济效益可观的产业。目前使用的太阳能电池可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。 

(1)硅太阳能电池 

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为23％，规模生产时的效率为15％。但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18％，工业规模生产的转换效率为10％。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。 

(2)多元化合物薄膜太阳能电池 

多元化合物薄膜太阳能电池主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、碲化镉及铜-铟-硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓(GaAs)III-V化合物电池的转换效率可达28％，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了GaAs电池的普及。铜铟硒薄膜电池(简称CIS)有适合光电转换效率，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。但由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展 又必然受到限制。 

(3)聚合物多层修饰电极型太阳能电池 

以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但目前不论是使用寿命，还是电池效率都不能和硅太阳能电池相比。 

(4)纳米晶太阳能电池 

纳米TiO₂晶体化学能太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10.寿命能达到20年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。 

硅的禁带宽度为1.1电子伏，3C-碳化硅的禁带宽度为2.3电子伏，氧化锌的禁带宽度为3.36电子伏，由这三种材料组成太阳能电池可以涵盖太阳光谱的范围，能充分地利用太阳能。其中，Si是一种成本较为低廉的衬底材料，用途十分广泛。而ZnO是近年来新发展起来的受到广泛重视的一种宽禁带半导体材料，在光电信息功能领域有着巨大的应用前景。如果能利用Si衬底来外延ZnO薄膜，一方面可以降低成本，利于产业化发展；同时，也将有利于与ZnO器件的光电合成，更广泛地开发ZnO基光电器件。然而由于ZnO与Si衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，所以很难在Si基片上直接外延出高质量的ZnO单晶薄膜。SiC的晶格常数以及热膨胀系数与ZnO相似，因此利用SiC作为ZnO薄膜的衬底材料，技术上实现较为容易。 

目前，将ZnO用在太阳能电池方面主要有以下几方面的工作： 

(1)高掺杂的ZnO薄膜有很低的电阻率和很高的可见光透过率，在红外区域有极高的反射率。因此，在各种太阳能电池中，常用来做成太阳能电池的透明导电电极。如(a)J.C.Lee，K.H.Kang，S.K.Kim，et al.，Sol.Energy Mater.Sol.Cells 64(2000)185；(b)A.Gupta，A.D.Compaan，Appl.Phys.Lett.85(2004)684；(c)M.A.Contreras，K.Ramanathan，et al.，Prog.Photovolt：Res.Appl.13(2005)209。