[发明专利]铜锌锡硒太阳能电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及新能源领域，更具体地涉及一种新型低成本太阳能电池及其制备方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展，人类对能源的需求与日俱增，能源和环境对可持续发展的约束越来越严重。太阳能作为一种清洁的可再生能源，将会成为未来能源消耗的主要组成部分之一，而太阳能电池可以直接将光能转化为电能，是利用太阳能的最直接的方式，目前正受到世界各国的重视和发展。然而目前在市场上占主导地位的硅太阳能电池存在能耗大、原料成本高而导致发电成本居高不下等问题，限制了这样的太阳能电池的推广应用。为了降低成本，新一代薄膜太阳能电池已经成为近年来太阳能电池的研究热点。

在新一代薄膜太阳能电池材料中，铜铟镓硒太阳能电池由于具有吸收系数高、光电转换效率高并且抗辐射性强等优点，被认为是下一代最有前途的太阳能电池之一。然而，铜铟镓硒太阳能电池中的吸收层铜铟镓硒的合成需要铟，而铟是地球稀少元素，每年全球产量仅约1200吨，这大大限制了铜铟镓硒太阳能电池的发展。

新型半导体材料铜锌锡硒(Cu₂ZnSnSe₄)所含元素资源丰富，Zn和Sn在地壳中的丰度为75和22ppm，而且同样具有与太阳能光谱非常匹配的直接带隙1.0eV和对可见光的高吸收系数(10⁴cm^-1)，理论效率高达32％，有望替代铜铟镓硒太阳能电池中的吸收层。目前国际上效率最高的掺硫的铜锌锡硫硒太阳能电池已获得了很高的效率，然而由于在铜锌锡硫硒吸收层的制备中采用了肼溶液法，在生产上具有很大的安全隐患，很难被推广应用。其他采用磁控溅射或共蒸发等真空技术制备的铜锌锡硒太阳能电池也获得了较高的效率，但由于在吸收层的制备过程中需要采用昂贵的真空设备，所以很难实现低成本的生产。

发明内容

为了解决上述现有技术中一些或全部问题而形成了本发明。

本发明发现，采用电化学沉积的方法来制备铜锌锡硒薄膜，可以避免使用昂贵的真空设备以及有毒的肼溶液，从而可以实现铜锌锡硒太阳能电池的低成本制造和工业化生产。

因此，本发明的一个目的是提供一种新型铜锌锡硒太阳能电池。

本发明的另一个目的是提供一种制造铜锌锡硒太阳能电池的新方法。

在一方面，本发明提供了一种铜锌锡硒太阳能电池，其包括：

衬底；

设置在衬底上的背电极层；

通过非真空电化学沉积设置在背电极层上的铜锌锡硒吸收层；

设置在铜锌锡硒吸收层上的缓冲层；

依次设置在缓冲层上的本征氧化锌(ZnO)层和掺铝氧化锌(AZO)层；以及

设置在掺铝氧化锌(AZO)层上的收集电极。

在一个优选实施方式中，铜锌锡硒吸收层是p型铜锌锡硒吸收层并且缓冲层是n型硫化镉(CdS)缓冲层。

在一个优选实施方式中，铜锌锡硒吸收层的厚度为1000-3000nm。

在一个优选实施方式中，n型硫化镉(CdS)缓冲层的厚度为50-100nm。

在一个优选实施方式中，衬底是玻璃衬底。

在一个优选实施方式中，背电极层是金属钼(Mo)背电极层，并且其厚度为500-1000nm。

在一个优选实施方式中，收集电极是铝收集电极。

在另一方面，本发明提供一种制造前述铜锌锡硒太阳能电池的方法，包括以下步骤：

在衬底上设置背电极层；

通过非真空电化学沉积在背电极层上设置铜锌锡硒吸收层；

在铜锌锡硒吸收层上设置缓冲层；

在缓冲层上依次设置本征氧化锌(ZnO)层和掺铝氧化锌(AZO)层；以及

在掺铝氧化锌(AZO)层上设置收集电极。

在一个优选实施方式中，铜锌锡硒吸收层是通过在背电极层上非真空电化学沉积铜锌锡(CuZnSn)合金层后，对铜锌锡合金层进行硒化处理而设置在该背电极层上的。

在进一步优选的实施方式中，非真空沉积铜锌锡合金层使用的电解液包含3～15mM硫酸铜、3～15mM硫酸锌、3～15mM硫酸锡以及0.1～0.3M的络合剂，并且相对于饱和甘汞电极的沉积电位为-0.9V至-1.2V。

在进一步优选的实施方式中，硒化处理的硒源温度为250-450℃，铜锌锡合金层的温度为450-550℃，并且硒化处理的时间为10-30分钟。