[发明专利]一种双吸收层PIN结构光伏器件及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是薄膜太阳能电池领域，特别是一种双吸收层PIN结构光伏器件及制备方法。

背景技术

能源问题对于实现经济和社会的可持续发展是一个严峻挑战。太阳辐射是地球最大的清洁绿色能量来源。光伏发电是人类解决能源问题的首选方案之一。

目前市场上已成熟或接近成熟的光伏电池包括晶硅电池、非晶硅薄膜电池、CuInGaSe或CdS/CdTe等化合物薄膜电池、染料敏化电池及有机无机复合电池。然而，这些电池在成本、稳定性、生产原料局限性或生产过程的环保性等方面还存在一些尚待解决的问题。全氧化物太阳能电池是近年来提出的新概念，即将P型氧化物和N型氧化物组装成PN结，实现光伏器件性能。金属氧化物如TiO₂、ZnO、SnO₂、CuO等具有低成本、储量丰富、环境友好、抗氧化性，稳定性好等突出优点，弥补了原有光伏电池材料体系的不足。如果全氧化物太阳能电池的效率能够提高到10%以上，将有可能大规模推广应用。全氧化物太阳能电池可以采用同质PN结和异质PN结两种结构。由于在同一种氧化物材料中很难同时实现N型和P型的有效掺杂。因此氧化物同质PN结光伏器件的研究发展比较缓慢。对于异质结，目前研究最多的是采用P型的CuO或Cu₂O为P型层，与N型的TiO₂、ZnO或SnO₂等组合，形成异质PN结太阳能电池。然而，异质结比同质结界面有更高的要求。1、能带结构匹配，可以形成II型能带

结构，提供载流子分离电场，同时界面处不能有势垒或势阱产生；2、两种异质结材料晶格应该匹配，这样可以减少界面缺陷，降低界面复合率。在异质结中需要具有与太阳能光谱最强积分光强波段相匹配的材料作为吸光层，目前研究的氧化物异质结光伏电池主要采用具有中等带隙的CuO（1.6eV）或Cu₂O（2.0eV）作为单一吸光层，理论模拟转化效率为25%，实验上可达到的转化效率为4%，无法达到光伏产业化的要求。为了进一步提高电池效率，需要采用更加有效的吸光层，并优化器件设计，提供能提高光生载流子分离和输运的自建电场。

发明内容

本发明的目的是针对目前传统宽禁带氧化物薄膜太阳能电池对太阳光利用率不高的问题，提出一种双吸收层PIN结构光伏器件及制备方法，以更有效的利用太阳光，提高转化效率。

本发明是这样实现的。它是以重掺杂Nb:TiO₂作为N型层，以具有1.6eV带隙宽度的V-Ga:TiO₂(钒镓掺杂二氧化钛)材料作异质结中的I型层，与P型Cu₂O组成双吸收层，形成一种PIN结构新型无机高效太阳能电池器件。其结构为：以金属及透明导电薄膜为器件的底电极，铌掺杂二氧化钛为电池的N型层，钒镓掺杂二氧化钛为电池的光吸收层，以Cu₂O为电池的P型层，以Pt等金属作为电池的阳极。具体结构如附图1所示。异质结中V-Ga:TiO₂为N型半导体，和P型Cu₂O具有不同的带隙宽度，（V-Ga:TiO₂为1.6eV，Cu₂O为2.0eV），二者形成的双吸收层异质结扩展了产生光生载流子的吸收波段，也打破了单级电池的理论极限。此外，Nb:TiO₂作为N型重掺层起到提升自建电场高度从而增大开路电压的作用。该器件设计不仅满足异质结光伏电池构造的基本要求，而且可以更加有效的吸收太阳光，提高电池转化效率。

器件各层具体参数如下：N型层铌掺杂二氧化钛的掺杂浓度为1.7×10²¹～1×10²⁰cm^-3，厚度为10～50nm，光吸收I层钒镓掺杂二氧化钛的掺杂浓度为10¹⁶～10¹⁸cm^-3，厚度为80～200nm，P型层Cu₂O的掺杂浓度10¹⁸ ～10²⁰cm^-3，厚度300～500nm。