一种薄膜光伏电池的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高效薄膜光伏电池，属于光伏电池技术领域。CuO作为天然p型半导体，其带隙(1.2?1.7eV)接近Si，且其对可见及近红外光的吸收系数比Si高两个数量级以上，适合作为薄膜太阳电池长波光区的吸光材料。本发明以CuO薄膜为关键组成单元，提出了一种n/p/p+结构的高效薄膜光伏电池，该结构显著提高了电池的光电转换效率。本发明应用于薄膜太阳能电池光伏器件。
【专利说明】
一种薄膜光伏电池
技术领域
[0001]本发明涉及光伏电池技术，具体是一种高效薄膜光伏电池。
【背景技术】
[0002]能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。太阳能源源不断的辐照地面，且清洁无任何污染，在解决能源和环境的问题上极具吸引力。薄膜技术的应用可以减少原材料的消耗，近年来国际范围内都十分关注低成本薄膜太阳电池材料及器件的研发。目前研究较为广泛的薄膜电池包括铜镓铟锡、锑化镉、染料敏化氧化物纳米晶等太阳能电池。然而这三类电池分别受到资源匮乏元素(铟、砸、碲、镉等)、有毒元素(砸、镉、碲、硫等)、以及氧化物半导体(T12等)对染料(N719、N3等)的光催化降解效应及电池封装对电池寿命和稳定性的严重制约，也限制了它们在太阳能领域内的长远发展和应用。因而，资源丰富、成本低廉、环境友好且性能稳定持久的新型薄膜太阳能电池的研究和开发非常必要。由于CuO带隙较窄(1.2-1.7eV)，对红光区域的光吸收能力强，氧化铜薄膜在光催化、光电及薄膜太阳能光伏器件有巨大的潜在应用价值，且原材料资源丰富、价格低廉、清洁无污染。因此，本发明以CuO薄膜为关键组成单元，提出了一种n/p/p+结构的高效薄膜光伏电池，该结构显著提高了电池的光电转换效率。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是针对目前薄膜太阳能电池器件中应用的问题，提出了一种n/p/p+结构的CuO基高效薄膜光伏电池，以透明导电金属氧化物(TCO)材料为电池的顶电极，以Zn0、Sn02、Ti02、n_Si或其他η型半导体为η层，以CuO层P层，以ρ型Cu20、p_Si或其他重掺杂ρ型半导体为P+层，以Pt、Au或其他金属作为电池的底电极。具体结构如附图1所示。其中，η层与P层主要吸收不同波长区域的光，以提高电池的短路电流，P+层主要起增强内建电场，提高开路电压的作用。两者共同作用，从而整体上提高电池的光电转换性能。
[0004]薄膜电池各层具体参数如下:η层的载流子浓度为1016-102()Cm—3，厚度为5-300nm;p层的载流子浓度为114-1O18Cnf3，厚度为50-3000nm;p+层的载流子浓度为1015-102Qcm—3，厚度为 5_300nm。
[0005]优选地，所述的η层的载流子浓度为117-1O19Cnf3，厚度为5-100nm，所述的ρ层的载流子浓度为115-1O17Cnf3，厚度为50-2000nm，所述的ρ+层的载流子浓度为116-1O19Cnf3，厚度为 5-lOOnm。
[0006]本发明采用多靶位远源等离子体溅射(HiTUS)技术，以金属靶、金属氧化物靶或n/P-Si靶为原料，在透明导电氧化物(TCO)衬底上，以氩气为等离子源，在室温下原位多层沉积制备n/p/p+结构的CuO基高效薄膜光伏电池。充分利用HiTUS系统等离子体源与靶材、溅射腔体分离，对工艺参数的控制更有效;等离子体束能量密度低，对靶材刻蚀均匀，靶材利用率高于90%;多靶位设计和有效的低温沉积技术，可实现多层薄膜及器件的连续沉积等优势，调试工艺参数的，得到高质量的薄膜及薄膜光伏电池。
[0007]本发明的有益效果:1)突破现有光伏材料体系及太阳电池器件设计的局限，提出一种n/p/ρ+结构的高效薄膜电池;2)该薄膜电池以资源丰富、价格低廉的CuO材料体系为主体材料，材料自然资源丰富，环境友好;3)是一种普遍的薄膜电池结构，多种η型及ρ型材料适用于本电池体系;4)电池稳定性好，受环境条件干扰小，电池寿命长。
【附图说明】
[0008]图1是本发明提供的n/p/p+结构的CuO基高效薄膜光伏电池的结构示意图；
[0009]图2为实施例1中n/p/p+结构的CuO基高效薄膜光伏电池的1-V曲线图；
[0010]图3为实施例2中n/p/p+结构的CuO基高效薄膜光伏电池的1-V曲线图；
[0011]图4为实施例3中n/p/p+结构的CuO基高效薄膜光伏电池的1-V曲线图。
【具体实施方式】
[0012]下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0013]如图1所示，一种薄膜光伏电池，其特征在于，包括:顶电极、吸光层和底电极；其中，所述第一电极、所述吸光层和所述第二电极依次排列，所述第一电极为透明电极，光线透过所述第一电极并照射至所述吸光层；
[0014I所述吸光层包括:
[00?5] η层，所述η层由η型半导体构成；
[0016]第一ρ层，所述第一 ρ层由ρ型半导体构成；
[0017]第二ρ层，所述第二 ρ层由ρ型半导体构成；
[0018]所述η层、所述第一ρ层和所述第二ρ层依次排列，所述η层与所述第一电极接触，所述第二 P层与所述第二电极接触。
[0019]实施例1:
[0020]如图1所示，一种薄膜光伏电池，以透明导电金属氧化物(TCO)材料为所述薄膜光伏电池的顶电极，以ZnO为η层，以CuO层ρ层，以ρ型CU20为ρ+层，以Pt、Au或其他金属作为电池的底电极。
[0021 ]其中，选取η层ZnO中载流子浓度为1018cm—3，厚度25nm;选取ρ层CuO载流子浓度为116Cnf3，厚度1500nm;选取ρ+层Cu2O的载流子浓度为117Cnf3，厚度lOOnm。如图2所示，经模拟此参数下电池效率为32.82%,填充因子0.83。
[0022]实施例2:
[0023]采用附图1所示器件结构，以透明导电金属氧化物(TCO)材料为所述薄膜光伏电池的顶电极，以n-Si为η层，以CuO层ρ层，以p-Si为ρ+层，以Pt、Au或其他金属作为电池的底电极。
[0024]其中，选取η层n-Si载流子浓度为119Cnf3，厚度25nm;选取ρ层CuO载流子浓度为116Cnf3，厚度1400nm;选取ρ+层p-Si载流子浓度为117Cnf3，厚度lOOnm。如图3所示，经模拟此参数下电池效率为31.65%，填充因子0.83。
[0025]实施例3:
[0026]采用附图1所示器件结构，以透明导电金属氧化物(TCO)材料为所述薄膜光伏电池的顶电极，以Sn02为η层，以CuO层ρ层，以p-Si为ρ+层，以Pt、Au或其他金属作为电池的底电极。
[0027]其中，选取η层SnO2载流子浓度为1019cm—3，厚度20nm;选取ρ层CuO载流子浓度为I O16CHf3，厚度1600nm;选取ρ+层p_S i载流子浓度为1019cm—3，厚度90nm。如图4所示，经模拟此参数下电池效率为34.54 %，填充因子0.83。
[0028]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
【主权项】
1.一种薄膜光伏电池，其特征在于，包括: 第一电极； 吸光层和 第二电极； 其中，所述第一电极、所述吸光层和所述第二电极依次排列，所述第一电极为透明电极，光线透过所述第一电极并照射至所述吸光层； 所述吸光层包括: η层，所述η层由η型半导体构成； 第一 P层，所述第一 P层由P型半导体构成； 第二 P层，所述第二 P层由P型半导体构成； 所述η层、所述第一 P层和所述第二 P层依次排列，所述η层与所述第一电极接触，所述第二 P层与所述第二电极接触。2.根据权利要求1所述的薄膜光伏电池，其特征在于:所述第一电极由金属氧化物材料制成。3.根据权利要求1所述的薄膜光伏电池，其特征在于:所述第二电极由金属材料制成。4.根据权利要求1所述的薄膜光伏电池，其特征在于:所述的η层由ZnO、Sn02、Ti02、n-Si中的一种或者多种制成。5.根据权利要求1所述的薄膜光伏电池，其特征在于:所述的第一P层由CuO制成。6.根据权利要求1所述的薄膜光伏电池，其特征在于:所述的第二P层由P型Cu20、p-Si或其他重掺杂P型半导体制成。7.根据权利要求1所述的薄膜光伏电池，其特征在于:所述η层的载流子浓度为116-102()cm—3，所述 η 层厚度为 5_300nm。8.根据权利要求1所述的薄膜光伏电池，其特征在于:所述第一P层的载流子浓度为1014-1018cm—3，所述第一P 层厚度为 50-3000nm。9.根据权利要求1所述的薄膜光伏电池，其特征在于:所述的第二P层的载流子浓度为1015-102Qcm—3，所述第二P 层厚度为 5-300nm。
【文档编号】H01L31/032GK105977320SQ201610502813
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】范佳杰, 高彩琴, 李珍珍, 黄浩, 仝可蒙, 张忠新
【申请人】郑州大学