一种超薄MgO层修饰Cu2O平面异质结太阳能电池的制作方法

本发明涉及一种太阳能电池，具体涉及一种超薄mgo层修饰cu2o平面异质结太阳能电池。

背景技术：

cu2o是一种禁带宽度约为2.1ev的p型半导体，因具有无毒、资源丰富、高的理论太阳能转换效率(20％)的优点而受到广泛关注，被认为是极具发展前景的光伏材料。将p型的cu2o与n型半导体氧化物制备成异质结，构建异质结太阳能电池，是制备高性能cu2o基太阳能电池的关键。sno2是一种禁带宽度约为3.8ev的n型半导体，在钙钛矿太阳电池、染料敏化电池领域被广泛应用。然而研究报道的cu2o/sno2异质结太阳能电池却表现出极差的光电特性，其中原因是sno2与cu2o的导带带阶过大，sno2的导带底接近于cu2o的价带顶，使得漂移至sno2处的光生电子很容易又扩散至cu2o，与cu2o价带的光生空穴发生复合。此外，在制备cu2o/sno2异质结时，易在异质结界面产生高密度的缺陷态，引起载流子的复合。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超薄mgo层修饰cu2o平面异质结太阳能电池。

本发明的一种超薄mgo层修饰cu2o平面异质结太阳能电池，依次包括钠钙浮法玻璃、cr粘结层、au电极层、cu2o薄膜层、超薄mgo薄膜层、sno2薄膜层、azo薄膜层和al电极层，所述的超薄mgo薄膜层的厚度为1-3nm。

上述技术方案中，优选的，所述的超薄mgo薄膜层厚度为1nm。

优选的，所述的au电极层厚度为10-120nm。

优选的，所述的cu2o薄膜层厚度为不超过3μm。

优选的，所述的cr粘结层厚度为1-8nm。

优选的，所述的sno2薄膜层厚度为5-20nm。

优选的，所述的azo薄膜层厚度为30-90nm。可以采用2at％al掺杂的zno。

优选的，所述的al电极层厚度为100-1000nm。

优选的，所述的超薄mgo层采用电子束蒸发技术制备。具体电子束蒸发技术制备超薄mgo的参数如下：纯度不低于99.999％的mgo单晶颗粒置于坩埚后，关闭腔体门并对腔体抽真空，至真空度达6.0×10^-4pa以下，开启电子束枪，设定枪高压为6kv，缓慢提升束流至5ma，蒸发速率为0.03nm/s，蒸镀mgo层至所需厚度。

制备上述的太阳能的一种具体方法，可以包括以下步骤：

1)采用电子束蒸发(ebe)技术在钠钙浮法玻璃衬底上依次沉积cr粘结层与au电极；

2)采用电沉积(ed)技术在au电极衬底上沉积cu2o薄膜层；

3)采用电子束蒸发(ebe)技术在cu2o层上沉积超薄mgo层；

4)采用激光脉冲沉积(pld)技术在mgo层上依次沉积sno2层、azo层；

5)采用电子束蒸发(ebe)技术在azo层上沉积al电极。

本发明的有益效果在于：

1)本发明在cu2o/sno2异质结中插入超薄mgo层，可以钝化cu2o表面，减少cu2o表面在后续沉积sno2过程中产生的缺陷态，抑制光生载流子在异质结界面通过缺陷态复合，提升太阳能电池的短路电流密度以及填充因子。

2)本发明在cu2o/sno2异质结中插入超薄mgo层，cu2o光吸收层产生的光生电子可以通过遂穿机制遂穿过绝缘的mgo层，传输至sno2层；同时mgo作为绝缘层，可以抑制sno2导带上的电子与cu2o价带上的空穴发生复合，减小暗漏电流，提升开路电压，提升填充因子。

3)本发明在cu2o/sno2异质结中插入超薄mgo层，使得太阳能电池的开路电压提升了63.4％，短路电流密度提升了62.3％，转换效率提升了227.27％。

附图说明

图1是超薄mgo层修饰cu2o平面异质结太阳能电池的结构示意图。

图2是cu2o/mgo/sno2异质结太阳能电池的j-v特性曲线，其中mgo厚度为2nm。

图3是cu2o/sno2异质结太阳能电池的j-v特性曲线。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐述。

参照图1，本发明的太阳能电池为叠层结构，自下而上依次为钠钙浮法玻璃、cr粘结层、au电极层、cu2o薄膜层、超薄mgo薄膜层、sno2薄膜层、azo薄膜层、al电极层。其中超薄mgo薄膜层厚度为1-3nm。

实施例1

1)电子束蒸发(ebe)技术在钠钙浮法玻璃衬底上依次沉积cr粘结层与au电极：

将2cm×2cm×1.6mm的钠钙浮法玻璃依次在丙酮、去离子水和无水乙醇中超声清洗15min，利用氮气吹干后固定于ebe设备样品台上，关闭样品台挡板。将纯度为99.999％的cr、au颗粒置于ebe设备的1、2号坩埚内，关闭腔体门并对腔体抽真空，至ebe腔体真空度达6.0×10^-4pa以下。将目标坩埚设为盛有cr颗粒的1号坩埚，开启膜厚仪并设定目标元为cr，开启电子束枪，设定枪高压为6kv，缓慢提升束流至15ma，此时cr蒸发的速率为0.05nm/s，将膜厚仪清零后开启样品台挡板，蒸镀cr粘结层，待膜厚为8nm时关闭样品台挡板,关闭膜厚仪，调节束流至零。将目标坩埚设为盛有au颗粒的2号坩埚，开启膜厚仪并设定目标元为au，缓慢提升束流至150ma，此时au蒸发的速率为0.08nm/s，将膜厚仪清零后开启样品台挡板，蒸镀au电极层，待膜厚为120nm时关闭样品台挡板,调节束流至零。关闭电子枪系统，关闭真空系统，取出样品。

2)采用电沉积(ed)技术在au电极衬底上沉积cu2o薄膜层：

配制含0.2mol/lcu2so4·5h2o、3mol/l乳酸的去离子水前驱体溶液50ml，并用2mol/lnaoh溶液调节去离子水前驱体溶液的ph值至12.5，完成前驱体溶液的配制。在三电极系统中，以铂片(3cm×3cm)为对电极，ag/agcl为参比电极、au电极衬底为工作电极，以恒电压(-0.4v)模式进行电化学沉积，沉积时间为1.5h，此时沉积在金衬底上的cu2o薄膜层的厚度约为2.5μm。沉积结束后用去离子水、无水乙醇清洗样品表面，并用氮气吹干。

3)采用电子束蒸发(ebe)技术在cu2o层上沉积超薄mgo层：

将上述2)沉积有cu2o的玻璃衬底固定于ebe设备样品台上，关闭样品台挡板，将纯度为99.999％的mgo单晶颗粒置于ebe设备内1号坩埚后，关闭腔体门并对腔体抽真空，至ebe腔体真空度达6.0×10^-4pa以下。将目标坩埚设为盛有mgo单晶颗粒的1号坩埚，开启膜厚仪并设定目标元为mgo，开启电子束枪，设定枪高压为6kv，缓慢提升束流至5ma，此时mgo蒸发的速率为0.03nm/s，将膜厚仪清零后开启样品台挡板，蒸镀mgo层，待膜厚为2nm时关闭样品台挡板,关闭膜厚仪，调节束流至零。关闭电子枪系统，关闭真空系统，取出样品。

4)采用激光脉冲沉积(pld)技术在mgo层上依次沉积sno2层、azo层：

将上述3)沉积了mgo的衬底固定于pld腔体样品台上，关闭样品台挡板。将2英寸的sno2靶材和azo靶材依次固定于1、2号靶材架上，调节靶-衬底间距为65mm。关闭腔体门，抽真空至1.0×10^-3pa以下，调节目标靶材为sno2靶，通入氧气至真空度为0.5pa。开启激光器，调节激光能量为300mj，频率为5hz。预溅射2分钟后开启样品台挡板，溅射40s后关闭激光器，此时沉积在mgo层上的sno2的厚度约为10nm。关闭样品台挡板，调节目标靶材为azo靶，通入氧气至真空度为0.2pa。开启激光器，调节激光能量为300mj，频率为5hz。预溅射2分钟后开启样品台挡板，溅射7.5min后关闭激光器，此时沉积在mgo层上的azo的厚度约为90nm。关闭pld真空系统，取出样品。

5)采用电子束蒸发(ebe)技术在azo层上沉积al电极：

将上述4)沉积有azo的玻璃衬底置于特定的电极掩膜版中,固定于ebe设备样品台上，关闭样品台挡板，将纯度为99.999％的al颗粒置于ebe设备内1号坩埚后，关闭腔体门并对腔体抽真空，至ebe腔体真空度达6.0×10^-4pa以下。将目标坩埚设为盛有al颗粒的1号坩埚，开启膜厚仪并设定目标元为al，开启电子束枪，设定枪高压为6kv，缓慢提升束流至50ma，此时al蒸发的速率为0.07nm/s，将膜厚仪清零后开启样品台挡板，蒸镀al电极层，待膜厚为300nm时关闭样品台挡板,关闭膜厚仪，调节束流至零。关闭电子枪系统，关闭真空系统，取出样品。

测试样品的光电转换性能：在am1.5光照射下，光从al电极一端射入，测试样品的j-v特性，如图2，短路电流密度、开路电压、填充因子和转换效率分别为：2.633ma/cm²、0.425v、32.22％和0.36％。

对比例1

1)电子束蒸发(ebe)技术在钠钙浮法玻璃衬底上依次沉积cr粘结层与au电极：

将2cm×2cm×1.6mm的钠钙浮法玻璃依次在丙酮、去离子水和无水乙醇中超声清洗15min，利用氮气吹干后固定于ebe设备样品台上，关闭样品台挡板。将纯度为99.999％的cr、au颗粒置于ebe设备的1、2号坩埚内，关闭腔体门并对腔体抽真空，至ebe腔体真空度达6.0×10^-4pa以下。将目标坩埚设为盛有cr颗粒的1号坩埚，开启膜厚仪并设定目标元为cr，开启电子束枪，设定枪高压为6kv，缓慢提升束流至15ma，此时cr蒸发的速率为0.05nm/s，将膜厚仪清零后开启样品台挡板，蒸镀cr粘结层，待膜厚为8nm时关闭样品台挡板,关闭膜厚仪，调节束流至零。将目标坩埚设为盛有au颗粒的2号坩埚，开启膜厚仪并设定目标元为au，缓慢提升束流至150ma，此时au蒸发的速率为0.08nm/s，将膜厚仪清零后开启样品台挡板，蒸镀au电极层，待膜厚为120nm时关闭样品台挡板,调节束流至零。关闭电子枪系统，关闭真空系统，取出样品。

2)采用电沉积(ed)技术在au电极衬底上沉积cu2o薄膜层：

配制含0.2mol/lcu2so4·5h2o、3mol/l乳酸的去离子水前驱体溶液50ml，并用2mol/lnaoh溶液调节ph值至12.5，完成前驱体溶液的配制。在三电极系统中，以铂片(3cm×3cm)为对电极，ag/agcl为参比电极、au电极衬底为工作电极，以恒电压(-0.4v)模式进行电化学沉积，沉积时间为1.5h，此时沉积在金衬底上的cu2o薄膜层的厚度约为2.5μm。沉积结束后用去离子水、无水乙醇清洗样品表面，并用氮气吹干。

3)采用激光脉冲沉积(pld)技术在cu2o层上依次沉积sno2层、azo层：

将上述2)沉积了cu2o的衬底固定于pld腔体样品台上，关闭样品台挡板。将2英寸的sno2靶材和azo靶材依次固定于1、2号靶材架上，调节靶-衬底间距为65mm。关闭腔体门，抽真空至1.0×10^-3pa以下，调节目标靶材为sno2靶，通入氧气至真空度为0.5pa。开启激光器，调节激光能量为300mj，频率为5hz。预溅射2分钟后开启样品台挡板，溅射40s后关闭激光器，此时沉积在cu2o层上的sno2的厚度约为10nm。关闭样品台挡板，调节目标靶材为azo靶，通入氧气至真空度为0.2pa。开启激光器，调节激光能量为300mj，频率为5hz。预溅射2分钟后开启样品台挡板，溅射7.5min后关闭激光器，此时沉积在cu2o层上的azo的厚度约为90nm。关闭pld真空系统，取出样品。

4)采用电子束蒸发(ebe)技术在azo层上沉积al电极：

将上述3)沉积有azo的玻璃衬底置于特定的掩膜版中固定于ebe设备样品台上，关闭样品台挡板，将纯度为99.999％的al颗粒置于ebe设备内1号坩埚后，关闭腔体门并对腔体抽真空，至ebe腔体真空度达6.0×10^-4pa以下。将目标坩埚设为盛有al颗粒的1号坩埚，开启膜厚仪并设定目标元为al，开启电子束枪，设定枪高压为6kv，缓慢提升束流至50ma，此时al蒸发的速率为0.07nm/s，将膜厚仪清零后开启样品台挡板，蒸镀al电极层，待膜厚为300nm时关闭样品台挡板,关闭膜厚仪，调节束流至零。关闭电子枪系统，关闭真空系统，取出样品。

测试样品的光电转换性能：在am1.5光照射下，光从al电极一端射入，测试样品的j-v特性，如图3，短路电流密度、开路电压、填充因子和转换效率分别为：1.62ma/cm²、0.26v、29.3％和0.11％。

可见，与对比例1相比，本发明中插入的超薄mgo层有效改善了cu2o/sno2异质结太阳能电池的性能，使得太阳能电池的开路电压提升了63.4％，短路电流密度提升了62.3％，转换效率提升了227.27％。

实施例2

该例中步骤与实施例1中相同，区别在于在步骤3)电子束蒸发沉积超薄mgo层时，mgo层厚度为1nm。

测试样品的光电转换性能：在am1.5光照射下，光从al电极一端射入，测试样品的j-v特性，短路电流密度、开路电压、填充因子和转换效率分别为：3.92ma/cm²、0.43v、41.49％和0.70％。

实施例3

该例中步骤与实施例1中相同，区别在于在步骤3)电子束蒸发沉积超薄mgo层时，mgo层厚度为1.5nm。

测试样品的光电转换性能：在am1.5光照射下，光从al电极一端射入，测试样品的j-v特性，短路电流密度、开路电压、填充因子和转换效率分别为：2.99ma/cm²、0.44v、29.43％和0.38％。

对比实施案例1、2和3可知，当mgo层厚度为1nm时，器件的性能最佳，短路电流密度、开路电压、填充因子和转换效率分别为：3.92ma/cm²、0.43v、41.49％和0.70％。当继续增加mgo层的厚度时，太阳能电池器件的填充因子与短路电流密度均一定程度得下降，不利于器件性能的提升。