[发明专利]一种基于溶液法加工的具有高透明窗口层材料的高效CdTe纳米晶太阳电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于溶液法加工的具有高透明窗口层材料的高效CdTe纳米晶太阳电池及其制备方法。该太阳电池由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、窗口层、光活性层、阳极依次层叠构成。阴极界面层指ZnO，窗口层为掺杂有Mg、Sb、In、Al、Bi、Zr、Pb、Nb的TiO₂或ZnS薄膜，光活性层由一层或多层CdTe纳米晶层组成；阴极指氧化铟锡导电膜、掺杂二氧化锡、金属膜和金属氧化物薄膜中的至少一种；阳极为Au；本发明的太阳电池采用溶液加工技术，实现太阳电池的超薄化，且性能优异，能量转换效率高达3.53%。该发明制备工艺简单，主要过程均可在普通的通风橱内溶液加工完成，且使用较低温度热处理，大大减少了制作成本。

技术领域

本发明属于光电器件领域，具体涉及一种基于溶液法加工的具有高透明窗口层材料的高效CdTe纳米晶太阳电池及其制备方法。

背景技术

二十一世纪以来，化石能源经数十年的大规模开采使用，已濒于枯竭。工业革命至今，温室效应导致地球的平均温度上升了0.3～0.6℃，海平面上升了10～25cm。温室效应气体的主要成分是二氧化碳，而其中80％是由化石燃料的消耗产生的。可见，人类正遭遇能源短缺和环境恶化的双重危机。发展一种高效清洁的能源，是当今人类函待解决的问题。开发太阳能，是当今能源开采的必然趋势，因为太阳能正是符合上述条件的绿色能源。太阳能光伏发电，与传统的发电原理相比，具有不经过其他媒介，无转动部件，模块化结构，运行维护简易，建设周期短以及利用荒漠土地和建筑物屋顶资源等优点，是大规模开发利用太阳能的必由之路。

传统的晶硅电池，因其对原料和能源需求较大，成本居高不下，且能量回收期较长，性价比有待提高。近年来，薄膜电池以其成本低廉的绝对优势异军突起，主要包括硅基薄膜太阳电池、无机化合物薄膜电池(铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池、碲化镉(CdTe)太阳电池)和有机聚合物薄膜电池。其中，无机化合物薄膜太阳电池优点是能很好地与太阳光谱匹配、吸收系数较大、能量转换效率高。近期，美国的实验室制作的碲化镉薄膜太阳电池的能量转化效率达到了20.4％，与多晶硅太阳电池的最高转化效率非常接近。但是，其主要的制备方法是近空间升华法、真空蒸镀法、电化学沉积法、磁控溅射法等，真空或高温环境制约其成本的进一步降低。基于溶液法加工的无机纳米晶太阳电池，可以通过引入卷对卷溶液加工法，实现工业上低成本、大面积、轻重量、可弯曲薄膜太阳电池的制备，且能保持无机半导体材料良好的太阳光谱响应、载流子传输性能以及良好的稳定性的优点。纳米晶太阳电池是当前研究的一个热点。不仅如此，纳米晶材料可以通过调节晶粒的尺寸大小来进行带隙调控，实现单一材料多种带隙，这是聚合物材料无法比拟的优势。

2005年，Alivisatos(I.Gur，N.A.Fromer，M.L.Geier，A.P.Alivisatos，Science，2005，310，462.)研究小组开展了基于旋涂方法制备无机纳米晶太阳电池的研究。主要是借鉴了有机聚合物溶液成膜的方法，采用溶剂热法制备出和纳米晶分别作为给体和受体材料，采用旋涂的方法成功制备了结构为ITO/CdTe(100nm)/CdSe(100nm)/Al的全无机纳米晶太阳电池。其中作为给体层主要吸收太阳能产生的电子空穴对，作为受体层，用于传输电子，形成了典型的二极管器件结构。他们通过烧结处理改善晶面，减少缺陷态密度，从而减小串联电阻，增大开路电压。在标准AM1.5模拟太阳光照射下，其短路电流为13.2mA/cm²，开路电压为0.45V，填充因子为49％，转化效率为2.9％。其实，还可以通过减小和的失配率来进一步提高开路电压，从而提高光电转化效率。至此，溶液法加工全无机纳米晶太阳电池被广泛关注。