[发明专利]一种太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能技术领域，尤其涉及一种基于三碘化铯锡及其衍生化合物薄膜的太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳光照在半导体p-n结上时，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

现有的太阳能电池为铜铟镓硒太阳能电池，采用钠钙玻璃基板，以400-500℃的高温蒸发：铜，铟，镓，二硒等材料；或先使用溅射工艺，镀上其中三种金属单元素材料后，再采用“硒化”工艺，添加硒材料。这是一项很难重复，而且十分缓慢的工艺；还有另一种方法，使用电镀沉淀工艺，或使用“金属”或“金属氧化物”经过纳米印刷工艺制造；这些工艺皆不适应于批量生产，单硒化工艺，就可长达8小时，并需用大量有毒气体，比如使用硒化氢来逐步使铜铟镓薄膜层硒化成铜铟镓硒薄膜层。

铜铟镓硒薄膜层在“高温”的基板上成型，目的是为了滋长较大的结晶，结晶体起码该是它本身厚度(1.0-2.0微米)一半以上的厚度。过小的晶体会产生大量的晶界，导致“电子-空穴”再次重组，降低电池的转换效率。高温的另一个目的是促进“钠钙玻璃”里的“钠”，在穿过钼薄膜层后，扩散到“铜铟镓硒”薄膜层里，“钠”离子能促进更多带有“p-型掺杂物”的“铜铟镓硒”薄膜的生长，要做到“铜铟镓硒”这四种元素在高温下共蒸发是十分费事，同时极难控制的工艺，不适宜于批量生产。

要在高温下做好“铜铟镓硒”薄膜，并能保证它持有最优化的化学成分比例，成为标准的批量生产工艺，我们使用已匹配好化学成分的“铜铟镓硒”四元素固态靶材，用磁控溅射工艺，一次性镀膜；同时，为避免高温下“硒”的流失，一般行业采用的工艺是利用“硒化氢”气体，来补充“硒”的流失；但这种气体有毒，不适应批量生产；为了避免这个缺陷，我们使用双温区退火炉，并使用固态“硒”来控制“硒”的流失，但是这种方法成本较高。

三碘化铯锡CsSnI3(CSI)化合物的研究始于1974年，Scaife等人首次对粉状CSI进行了结构分析。数年以后，Mauersberger和Huber等研究组独立合成和标定了黄色针状的CSI微晶。但直到1991年，CSI多晶体才被Yamada等人发现：该多晶体因呈现黑色光泽，故被称为黑CSI。黑CSI是通过将黄色CSI微晶加热到425K以上相变得到。通过对不同温区的结构和晶相X光分析，三种不同的晶体结构被确定：黑CSI晶体在450K时呈现理想的立方钙钛矿结构(α相)，当冷却到426K时，其晶体向四角结构(β相)转化，而在351K时变为斜方结构(γ相)[3]。但光学和电学输运特性的测量，由于缺乏高质量的CSI样品一直无法进行。直到最近，Borrielo等人根据Yamada等发表的晶体结构数据利用第一性原理计算了三种晶体的电子结构[4]。他们确认这三种晶体相都具有直接带隙，并且Eg(α)＜Eg(β)＜Eg(γ)。

钙钛矿结构的三碘化铯锡CsSnI3(CSI)及其衍生化合物具有与太阳光谱非常匹配的直接带隙(1.3-1.4eV)。其合成原材料在自然界大量存在、无毒且便于加工，是太阳能光伏器件研究中的一种新型太阳能电池化合物材料。由于强激子相互作用，该材料的光吸收系数很大。在室温下，这种材料几乎可以吸收全部的太阳光子。另外，与现在大量研究的铜铟稼硒太阳能电池相比，其化合物中的元素融化温度相近，易形成类似单晶体的材料结构，并且CSI薄膜可用简单的物理和化学法来制备。从而使其成为最具潜力的替代铜铟稼硒等化合物太阳能电池吸收层的新型薄膜太阳电池材料。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的基于三碘化铯锡及其衍生化合物薄膜的太阳能电池，解决铜铟稼硒太阳能电池不适合大批量生产及生产成本较高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种太阳能电池，包括依次排列的基底、第一导电层、P型层、缓冲层、N型层、第二导电层和电极，所述P型层的材料为三碘化铯锡及其衍生化合物。

优选的，所述基底的材料主要为玻璃、金属箔片、柔性有机聚合物、硅片或陶瓷片。

优选的，所述第一导电层的材料主要为导电金属材料、氧化铟锡、氟掺杂的氧化锡或铝掺杂的氧化锌；

所述第一导电层厚度为100纳米～2微米。

优选的，所述P型层所用的材料主要为三碘化铯锡及其衍生化合物；

所述P型层的厚度为100纳米～2微米。