[发明专利]一种基于硫属亚铜化合物的纳米异质结太阳能电池及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种纳米异质结太阳能电池及其制备方法，具体地说是基于硫属亚铜化合物异质结的纳米太阳能电池及其制备方法。

二、背景技术

自1959年第一块基于平面硅的集成电路发明以来，平面硅工艺一直主导着集成电路产业的发展。历经半个世纪的发展，集成电路已由包含五个电子元件的第一块集成电路板发展到超大规模集成电路，单个电路芯片集成的元件数达几亿甚至几十、上百亿个。集成电路发展的过程实际上就是器件特征尺寸不断缩小、集成度不断提高、性能价格比不断降低的过程。太阳能电池领域亦是如此。

目前，硅基太阳能电池市场份额仍高达90％以上，然而居高不下的晶硅价格和其较低的吸收率推动人们在薄膜太阳能电池领域，尤其是无机物薄膜太阳能电池领域不断寻求新的突破。

硫属亚铜化合物是一类环境友好且在地壳中含量丰富的过渡金属硫属化合物，由于阳离子缺陷，呈p型半导体特性，此外，其具有较高的吸收系数和优良的光电特性，因而在薄膜太阳能电池领域有着较为广泛的应用研究。通过传统高真空技术制备的Cu₂S/CdS(IEEE Trans.Electron.,1977,24,381)、Cu_2-xSe/CdS(Appl.Phys.lett.,1985,46,1095)体系，是研究最早的薄膜太阳能体系之一。随着纳米技术的发展，基于Cu₂S纳米晶的薄膜太阳能电池的研究也取得了显著的研究进展(Nano Lett.,2008,8,2551)。尽管其光电转换效率仅1.6％，但是液相合成显著降低了其生产成本，基于纳米晶的薄膜太阳能电池仍然是目前的研究热点。相比薄膜材料，准一维纳米结构由于能更有效地降低光生载流子在缺陷、界面等处的复合，提高光生载流子分离与收集效率，在纳米太阳能电池性能提升方面功不可没。加州大学伯克利分校杨培东教授通过液相阳离子置换法，制备了基于单根CdS-Cu₂S核壳结构的纳米太阳能电池，并获得了5.4％的转化效率(Nature nanotechnology,2011,6,568)。然而，有毒元素Cd的使用始终阻碍着该材料体系在太阳能电池领域市场化的步伐，人们正努力寻求可以环境友好的n型半导体材料，以取代CdS作为该类光伏体系的窗口层材料。

n型半导体材料In₂S₃被认为是取代CdS的理想选择，其本体禁带宽度为2.0-2.2eV，与CdS接近。研究表明以In₂S₃为缓冲层的CIGS薄膜太阳能电池，转化效率已达到16.4％，和传统的以CdS为缓冲层的薄膜太阳能电池性能相当(Prog.Photovolt:Res.Appl.,2003,11,437)。本发明的发明人所在课题组也通过脉冲激光技术实现了有望应用于薄膜太阳能电池领域的n型In₂S₃薄膜的沉积(Mater.Res.Express,2015,2,056401；发明专利申请号：ZL 201410500670.X)。

三、发明内容

在现有技术存在的基础之上，本发明旨在构建基于硫属亚铜化合物的纳米异质结太阳能电池，在纳米太阳能电池发展领域有着重要的意义，所要解决的技术问题是以n型半导体材料In₂S₃作为窗口层材料，使其与硫属亚铜化合物形成异质结。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明基于硫属亚铜化合物的纳米异质结太阳能电池，其特点在于：是以上表面覆有绝缘层的硅基衬底为基底，在所述绝缘层上分散有硫属亚铜化合物准一维纳米结构，在所述硫属亚铜化合物准一维纳米结构的两端各沉积有第一金属薄膜电极和In₂S₃薄膜，所述硫属亚铜化合物准一维纳米结构与所述第一金属薄膜电极呈欧姆接触，与所述In₂S₃薄膜形成异质结；在所述In₂S₃薄膜上方沉积有第二金属薄膜电极，所述In₂S₃薄膜与所述第二金属薄膜电极呈欧姆接触。

本发明的纳米异质结太阳能电池，其特点也在于：所述硫属亚铜化合物准一维纳米结构的化学结构式为Cu_2-xA，其中A为硫元素或硒元素，0≤x≤0.25；所述硫属亚铜化合物准一维纳米结构为纳米线、纳米棒、纳米管或纳米带；所述硫属亚铜化合物准一维纳米结构的轴向长度不小于10μm，径向长度为100-1000nm。