本发明涉及薄膜太阳能电池领域，具体涉及一种具有cuscn空穴传输层的碲化镉太阳能电池及制备方法。
背景技术：
：随着环境污染与能源危机的迫在眉睫，寻找可替代的新能源成为了全球国家的首要任务。在众多的新能源中，太阳能以储量丰富、清洁无污染的优势成为了新能源中的领头军。作为第二代薄膜电池的典型代表之一，cdte薄膜电池吸引了众多企业和研究机构的兴趣。cdte薄膜电池具有很多优势：理想的禁带宽度(1.45ev)；与太阳光谱高度的光谱匹配性与高的光谱吸收率；高的光电转换效率(理论上可达30％左右)，以及简单的电池结构与生产方法等，都使得该类电池具有易实现大规模生产的商业价值，进而成为了众多商家的“必争之地”。传统的碲化镉薄膜电池结构主要由透明导电衬底，硫化镉窗口层，碲化镉吸收层，背接触以及背电极层构成，是一种十分稳定的电池结构，众多的电池结构的优化与创新也是基于此结构而开发完成的。目前，cdte薄膜电池的光电转换效率大概在21％(实验室)左右，与理论转换效率还有较大差距。技术实现要素：有鉴于此，本申请提供一种具有cuscn空穴传输层的碲化镉太阳能电池及其制备方法，该电池引入一种空穴传输材料cuscn，形成一种新型的电池结构，增加空穴的收集与传输，降低电子-空穴的复合；此外，将导电性能超好的au引入到背电极中，形成au/mo复合电极，进一步加强空穴载体的收集与传递，最终达到提升电池效率的目的。为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种具有cuscn空穴传输层的碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池依次设置有衬底层、窗口层、光吸收层、背电极层，所述光吸收层和背电极层之间还设置有空穴传输层，所述空穴传输层的材料为cuscn。优选的，所述衬底层为fto导电玻璃，所述窗口层为硫化镉窗口层，所述光吸收层为碲化镉薄膜层，所述背电极层为金钼复合背电极层。优选的，所述衬底层中导电膜的厚度为50～300nm，所述窗口层的厚度为200～300nm，所述光吸收层的厚度为2～5μm，所述空穴传输层的厚度为150～300nm，所述背电极层的厚度为200～500nm。更优选的，所述衬底层中导电膜的厚度为50～300nm，所述窗口层的厚度为250～300nm，所述光吸收层的厚度为3～4μm，所述空穴传输层的厚度为200-300nm，所述背电极层的厚度为250～400nm。其中，背电极层为金和钼的复合背电极层，金电极层的厚度为30～80nm，钼电极的厚度为170～420nm。本发明还提供一种具有cuscn空穴传输层的碲化镉太阳能电池的制备方法，所述制备方法包括依次设置的以下步骤：(1)以fto导电玻璃为衬底层，在所述衬底层上沉积一层硫化镉窗口层；(2)在所述硫化镉窗口层上沉积碲化镉光吸收层，进行活化处理，然后退火处理；(3)在所述碲化镉光吸收层上制备cuscn空穴传输层；(4)在所述空穴传输层上沉积金钼复合背电极层。其中衬底层的材料选择fto导电玻璃，衬底尺寸可根据实际需求进行调整或裁剪。衬底的清洗选用无水乙醇溶液、丙酮溶液或蒸馏水进行清洗，清洗方法为超声、滚刷或喷淋中的任意一种；清洗完成后在烘箱中进行烘干，烘干温度为50-80℃，烘干完成后可直接用于后续工艺操作或保存在无尘空间以备用。硫化镉窗口层和碲化镉光吸收层采用气相传输沉积法进行沉积，以n2、he、ar中的任意一种作为输运气体，完成薄膜的制备。优选的，所述cuscn空穴传输层的制备方法选自化学浴法和电化学沉积法中的任意一种。优选的，所述化学浴法具体为以cuso4为cu原料，nas2o3为络合剂，配置成第一溶液；以nascn为scn-源，配置成第二溶液，将已镀窗口层薄膜的衬底层先置于第一溶液中20～40分钟，然后放入第二溶液中20～40分钟，然后烘干后得到cuscn空穴传输层。更优选的，将已镀窗口层薄膜的衬底层先置于第一溶液中30分钟，然后放入第二溶液中30分钟，然后烘干后得到cuscn空穴传输层。为了获得不同厚度、致密均匀的薄膜，可以将上述操作重复1～5次。化学浴法适合大面积薄膜的制备，反应设备简单易操作，并且得到的薄膜厚度易于控制，致密均匀。优选的，所述电化学沉积法具体为将cuso4、kscn、edta溶于溶剂中，形成电解液，以三电极体系进行电化学沉积，烘干后获得cuscn空穴传输层。其中，所述溶剂选自去离子水、乙酸乙酯或乙醇中的任意一种。电化学沉积法操作安全、简单，可以在常温下进行，并且可以在任何导电基地上沉积薄膜，并且薄膜厚度相对易于控制。优选的，所述步骤(2)中活化处理具体为采用浓度为0.05-0.35mol/l的cdcl2甲醇溶液对硫化镉窗口层进行活化处理，采用滚轴涂覆法，确保薄膜表面均负载cdcl2。优选的，所述步骤(2)中退火处理的温度为300～500℃。更优选的，所述步骤(2)中退火处理的温度为350～480℃。此处进行退火是为了提高窗口层与吸收层薄膜的均匀性与再结晶性，薄膜冷却完成后，对薄膜进行清洗，除去fto背面及边界处的残留物，保证fto具备好的透光性，以及薄膜边缘、表面的干净、均匀性。优选的，所述硫化镉窗口层和所述碲化镉光吸收层的制备方法为气相沉积法，所述背电极层的沉积方法为磁控溅射法。其中，背电极层为金和钼的复合层结构，先进行au电机的制备，然后进行mo电极的制备，由于金具有很好的导电性，但是成本较高，因此金薄膜厚度控制在30-80nm范围内，钼电极层的厚度在170～420nm范围内，更优选的，在200-350nm范围内。在本发明中，可根据实际需求，对电池样品进行激光刻线，进而实现电池串联，最后经过封装工艺完成碲化镉薄膜电池的制备。本申请与现有技术相比，其详细说明如下：传统的cdte薄膜电池结构主要由透明导电衬底，cds窗口层，cdte吸收层、背接触层以及背电极层构成，是一种十分稳定的电池结构，众多的电池结构的优化与创新也是基于此结构而开发完成的，为提高电池的转换效率，在本发明中在传统的电池结构基础上引入一种新型空穴传输材料(htm)-cuscn作为空穴传输层，该传输层设置在光吸收层和背电极层之间，形成一种新型的电池结构，增加空穴的收集与传输，降低电子-空穴的复合；此外，在背电极的选择上，将导电性能超好的au引入到背电极中，形成au/mo复合电极，进一步加强空穴载体的收集与传递，降低复合损失，提升电子传输效率，最终达到提升光电转化效率的目的，并且该电池的制备方法简单易操作，清洁无污染，原料来源广，化学性质稳定，具有较强的光电转换效率，该电池的光电转换效率可以达到12.65％。附图说明图1为本发明的一种具有cuscn空穴传输层的碲化镉太阳能电池的结构示意图。具体实施方式为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明公开了一种具有cuscn空穴传输层的碲化镉太阳能电池及其制备方法，所述太阳能电池依次设置有fto导电玻璃衬底层，硫化镉窗口层，碲化镉光吸收层，cuscn空穴传输层和金钼复合背电极层。其中，fto导电玻璃衬底层中导电膜的厚度为50～300nm，硫化镉窗口层的厚度为200～300nm，碲化镉光吸收层的厚度为2～5μm，cuscn空穴传输层的厚度为150-300nm，金钼复合背电极层的厚度为200～500nm。其制备方法包括以下步骤：(1)以fto导电玻璃为衬底层，在所述衬底层上沉积一层硫化镉窗口层，沉积方法为气相传输沉积法；(2)在所述硫化镉窗口层上采用气相传输沉积法沉积碲化镉光吸收层，用cdcl2对其进行活化处理，然后退火处理；(3)在所述碲化镉光吸收层上用化学浴法或电化学沉积法制备cuscn空穴传输层；(4)在所述空穴传输层上采用磁控溅射法沉积金钼复合背电极层。下面通过具体实施例对本发明进行进一步说明。实施例1如图1所示，一种具有cuscn空穴传输层的碲化镉太阳能电池，依次设置有fto导电玻璃衬底层，硫化镉窗口层，碲化镉光吸收层，cuscn空穴传输层和金钼复合背电极层。其中，衬底层中导电膜的厚度为50nm，硫化镉窗口层的厚度为200nm，碲化镉光吸收层的厚度为2μm，cuscn空穴传输层的厚度为150nm，金钼复合背电极层的厚度为200nm。上述碲化镉太阳能电池的制备方法包括以下步骤：(1)以fto导电玻璃为衬底材料，将其裁剪为3cm×5cm大小，采用超声波清洗法，先后用无水乙醇溶液、丙酮溶液、蒸馏水进行清洗，50℃条件下烘干后保存备用。(2)在衬底层上采用气相沉积法制备硫化镉窗口层，厚度为200nm。(3)在硫化镉窗口层上采用气相沉积法制备碲化镉光吸收层，厚度为2μm。(4)配置浓度为0.1mol/l的cdcl2甲醇溶液进行cds/cdte层的活化处理，采用来回滚轴涂覆法，确保薄膜表面均负载cdcl2，然后在温度300℃条件下进行退火，薄膜冷却完成后，对薄膜进行清洗，除去fto背面及边界处的残留物，保证fto具备好的透光性，以及膜面的清洁性。(5)在碲化镉光吸收层上采用化学浴法制备cuscn空穴传输层，以cuso4为cu原料，nas2o3为络合剂，并配置成第一溶液；以nascn为scn-源，并配置成第二溶液；将基底薄膜先置于第一溶液中，并保持20min，然后取出；接着将其在放入第二溶液中，并保持20min，然后取出烘干，完成制备过程，厚度为150nm。(6)在空穴传输层上采用磁控溅射法先进性金电极的制备，厚度为30nm，然后进行钼电极的制备，厚度为170nm。(7)根据实际需求，对电池样品进行激光刻线，进而实现电池串联，最后经过封装工艺完成碲化镉薄膜电池的制备。实施例2如图1所示，一种具有cuscn空穴传输层的碲化镉太阳能电池，依次设置有fto导电玻璃衬底层，硫化镉窗口层，碲化镉光吸收层，cuscn空穴传输层和金钼复合背电极层。其中，衬底层中导电膜的厚度为100nm，硫化镉窗口层的厚度为250nm，碲化镉光吸收层的厚度为3μm，cuscn空穴传输层的厚度为200nm，金钼复合背电极层的厚度为250nm。上述碲化镉太阳能电池的制备方法包括以下步骤：(1)以fto导电玻璃为衬底材料，将其裁剪为3cm×5cm大小，采用超声波清洗法，先后用无水乙醇溶液、丙酮溶液、蒸馏水进行清洗，50℃条件下烘干后保存备用。(2)在衬底层上采用气相沉积法制备硫化镉窗口层，厚度为250nm。(3)在硫化镉窗口层上采用气相沉积法制备碲化镉光吸收层，厚度为3μm。(4)配置浓度为0.2mol/l的cdcl2甲醇溶液进行cds/cdte层的活化处理，采用来回滚轴涂覆法，确保薄膜表面均负载cdcl2，然后在温度350℃条件下进行退火，薄膜冷却完成后，对薄膜进行清洗，除去fto背面及边界处的残留物，保证fto具备好的透光性，以及膜面的清洁性。(5)在碲化镉光吸收层上采用化学浴法制备cuscn空穴传输层，以cuso4为cu原料，nas2o3为络合剂，并配置成第一溶液；以nascn为scn-源，并配置成第二溶液；将基底薄膜先置于第一溶液中，并保持30min，然后取出；接着将其在放入第二溶液中，并保持30min，然后取出烘干，完成制备过程，厚度为200nm。(6)在空穴传输层上采用磁控溅射法先进性金电极的制备，厚度为50nm，然后进行钼电极的制备，厚度为200nm。(7)根据实际需求，对电池样品进行激光刻线，进而实现电池串联，最后经过封装工艺完成碲化镉薄膜电池的制备。实施例3如图1所示，一种具有cuscn空穴传输层的碲化镉太阳能电池，依次设置有fto导电玻璃衬底层，硫化镉窗口层，碲化镉光吸收层，cuscn空穴传输层和金钼复合背电极层。其中，衬底层中导电膜的厚度为200nm，硫化镉窗口层的厚度为300nm，碲化镉光吸收层的厚度为4μm，cuscn空穴传输层的厚度为250nm，金钼复合背电极层的厚度为300nm。上述碲化镉太阳能电池的制备方法包括以下步骤：(1)以fto导电玻璃为衬底材料，将其裁剪为3cm×5cm大小，采用超声波清洗法，先后用无水乙醇溶液、丙酮溶液、蒸馏水进行清洗，50℃条件下烘干后保存备用。(2)在衬底层上采用气相沉积法制备硫化镉窗口层，厚度为300nm。(3)在硫化镉窗口层上采用气相沉积法制备碲化镉光吸收层，厚度为4μm。(4)配置浓度为0.3mol/l的cdcl2甲醇溶液进行cds/cdte层的活化处理，采用来回滚轴涂覆法，确保薄膜表面均负载cdcl2，然后在温度480℃条件下进行退火，薄膜冷却完成后，对薄膜进行清洗，除去fto背面及边界处的残留物，保证fto具备好的透光性，以及膜面的清洁性。(5)在碲化镉光吸收层上采用化学浴法制备cuscn空穴传输层，以cuso4为cu原料，nas2o3为络合剂，并配置成第一溶液；以nascn为scn-源，并配置成第二溶液；将基底薄膜先置于第一溶液中，并保持30min，然后取出；接着将其在放入第二溶液中，并保持30min，然后取出烘干，完成制备过程，厚度为250nm。(6)在空穴传输层上采用磁控溅射法先进性金电极的制备，厚度为80nm，然后进行钼电极的制备，厚度为220nm。(7)根据实际需求，对电池样品进行激光刻线，进而实现电池串联，最后经过封装工艺完成碲化镉薄膜电池的制备。实施例4如图1所示，一种具有cuscn空穴传输层的碲化镉太阳能电池，依次设置有fto导电玻璃衬底层，硫化镉窗口层，碲化镉光吸收层，cuscn空穴传输层和金钼复合背电极层。其中，衬底层中导电膜的厚度为300nm，硫化镉窗口层的厚度为300nm，碲化镉光吸收层的厚度为5μm，cuscn空穴传输层的厚度为300nm，金钼复合背电极层的厚度为400nm。上述碲化镉太阳能电池的制备方法包括以下步骤：(1)以fto导电玻璃为衬底材料，将其裁剪为3cm×5cm大小，采用超声波清洗法，先后用无水乙醇溶液、丙酮溶液、蒸馏水进行清洗，50℃条件下烘干后保存备用。(2)在衬底层上采用气相沉积法制备硫化镉窗口层，厚度为300nm。(3)在硫化镉窗口层上采用气相沉积法制备碲化镉光吸收层，厚度为4μm。(4)配置浓度为0.3mol/l的cdcl2甲醇溶液进行cds/cdte层的活化处理，采用来回滚轴涂覆法，确保薄膜表面均负载cdcl2，然后在温度500℃条件下进行退火，薄膜冷却完成后，对薄膜进行清洗，除去fto背面及边界处的残留物，保证fto具备好的透光性，以及膜面的清洁性。(5)在碲化镉光吸收层上采用化学浴法制备cuscn空穴传输层，以cuso4为cu原料，nas2o3为络合剂，并配置成第一溶液；以nascn为scn-源，并配置成第二溶液；将基底薄膜先置于第一溶液中，并保持40min，然后取出；接着将其在放入第二溶液中，并保持40min，然后取出烘干，完成制备过程，厚度为300nm。(6)在空穴传输层上采用磁控溅射法先进性金电极的制备，厚度为80nm，然后进行钼电极的制备，厚度为320nm。(7)根据实际需求，对电池样品进行激光刻线，进而实现电池串联，最后经过封装工艺完成碲化镉薄膜电池的制备。实施例5如图1所示，一种具有cuscn空穴传输层的碲化镉太阳能电池，依次设置有fto导电玻璃衬底层，硫化镉窗口层，碲化镉光吸收层，cuscn空穴传输层和金钼复合背电极层。其中，衬底层中导电膜的厚度为50nm，硫化镉窗口层的厚度为200nm，碲化镉光吸收层的厚度为2μm，cuscn空穴传输层的厚度为150nm，金钼复合背电极层的厚度为200nm。制备方法除步骤(5)不同，其他步骤与实施例1相同，步骤(5)为在碲化镉光吸收层上采用电化学沉积法制备cuscn空穴传输层，将cuso4、kscn、edta溶于水中，形成一定浓度且稳定的电解液。以三电极体系进行电化学沉积，通过调节沉积时间达到薄膜厚度的控制，烘干后获得cuscn空穴传输层，厚度为(150-200)nm。实施例6如图1所示，一种具有cuscn空穴传输层的碲化镉太阳能电池，依次设置有fto导电玻璃衬底层，硫化镉窗口层，碲化镉光吸收层，cuscn空穴传输层和金钼复合背电极层。其中，衬底层中导电膜的厚度为100nm，硫化镉窗口层的厚度为250nm，碲化镉光吸收层的厚度为3μm，cuscn空穴传输层的厚度为200nm，金钼复合背电极层的厚度为250nm。制备方法除步骤(5)不同，其他步骤与实施例1相同，步骤(5)为在碲化镉光吸收层上采用电化学沉积法制备cuscn空穴传输层，将cuso4、kscn、edta溶于水中，形成一定浓度且稳定的电解液。以三电极体系进行电化学沉积，通过调节沉积时间达到薄膜厚度的控制，烘干后获得cuscn空穴传输层，厚度为(200-250)nm。对照例1提供一种碲化镉薄膜太阳能电池，依次设置有fto导电玻璃衬底层，硫化镉窗口层，碲化镉光吸收层和金钼复合背电极层。其中，衬底层中导电膜的厚度为100nm，硫化镉窗口层的厚度为250nm，碲化镉光吸收层的厚度为3μm，金钼复合背电极层的厚度为250nm。其制备方法除了不设置空穴传输层外，其他步骤与实施例2相同。实施例7空穴传输层对碲化镉薄膜电池的性能影响1、实验样品：碲化镉薄膜电池样品实施例2、实施例6、对照例1；2、实验方法：采用gb/t6495.1-1996中所述方法进行性能测试；3、实验结果：见表1。表1窗口过渡层对碲化镉薄膜电池的性能影响样品jsc/ma·cm-2voc/vffeff/％实施例224.290.730.6811.92实施例624.760.740.6912.65对照例123.030.730.6711.18由上表可以看出，与对照例1相比，实施例2、6中的电池的短路电流密度(jsc)、填充因子(ff)以及转换效率(eff)均有一定提高，说明cuscn空穴传输层结构的设计与添加可以在一定程度上提高电池性能；同时au/mo背电极的改进也可提高电极对载流子的吸收与传递，最终获得高效率电池。在cuscn空穴传输层的制备上，制备方法的选择、改进等都可以作为提高电池效率的方法、途径。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12