专利名称：氧化锌基太阳能电池及其制备方法
氧化锌基太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池的结构和制备方法，尤其涉及氧化锌基太阳能电池 及其制备方法。
背景技术：
随着人类社会步入21世纪，世界人口的剧烈增长和环境污染的日益严重， 使人类对能源尤其是清洁的新能源的开发利用有了更大的需求。20世纪70年 代，由石油危机引发的第二次能源危机使人类意识到开发可再生能源的必要 性。而太阳能作为一种可再生能源，即不会改变地球的热能平衡，也不会造成 生态环境污染，并且是一种取之不尽、功率巨大、使用安全的能源。因此，太 阳能的开发利用越来越受到人类的重视。而研发新型的太阳能电池是开发利用 太阳能最有效的方法之一。
目前太阳能电池主要是使用硅材料，其光电转化效率较高， 一般为15%左 右。另据美国军方报道，用于军事用途的硅基太阳能电池的最高转化效率可达 36%。另外，液态结太阳能电池作为一种新型的太阳能电池，近些年发展也很 迅速，并且取得了大量的研究成果。液态结太阳能电池是利用液态的电解液作 为有源区的材料，将光能转化为电能。电解液密采用密封剂密封在太阳能电池 之中。
虽然硅太阳能电池转换效率高，但硅太阳能电池制造工艺复杂、材料要求 苛刻且价格昂贵，因此难于普及。而液态结太阳能电池在实践中也存在许多缺 陷。液态结太阳能电池中呈液态的电解液在工作中遇到很多问题，例如由于 密封工艺复杂，长期放置造成电解液泄露；电池中还存在密封剂与电解液的反 应；在液体电解质中，电极有光腐蚀现象；高温下溶剂挥发会导致其与染料作 用使染料降解等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构和制备工艺简单的太阳能电 池，并且能够克服液态接太阳能电池由于存在液态电解液而带来的诸多问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种氧化锌基太阳能电池，包括透明衬 底层、透明衬底层表面的叠层和置于叠层中的电极，所述叠层包括位于透明衬
底表面依次远离透明衬底的P型半导体层、光吸收层以及N型半导体层，所述 N型半导体层中含有氧化锌纳米线材料。
氧化锌(Zn0)薄膜具有高透明性特征，其透射率最高可达95%以上(参考 Solid State Communications 141(2007) p600 - 604)。因此，使用氧化锌薄 膜作为电子传导层不会阻挡太阳光照射到吸收层，同时，由于氧化锌纳米线材 料具有较高的载流子迁移率，因此采用此材料构成的薄膜作为太阳能电池的电 极进行电流传输，可以提高了载流子的传输速度，从而提高了太阳能电池光电 转化效率。
作为可选的技术方案,所述光吸收层为硒化镉(CdSe)。硒化镉材料的禁 带宽度为1. 7eV，与太阳光的波长(400nm至700nm)相匹配，因此是太阳光的 吸收层的优选材料。
作为可选的技术方案，所述P型半导体层中含有氧化亚铜(Cu20)材料。 本征的Cii20呈现P型电导，无需掺杂即可以作为P型半导体层，因此是一种优 选的材料。并且，氧化亚铜的材料成本较多晶硅、GaAs等其他半导体材料低廉。
同时，当同时采用硒化镉作为光吸收层、氧化亚铜作为P型半导体层的情 况下，氧化亚铜的价带能级小于硒化镉的价带能级。从能带图的角度来说，对 于由硒化镉和氧化亚铜形成的异质结而言，氧化亚铜价带的位置要低于硒化镉 的价带位置，因此光吸收层中的硒化镉由于吸收太阳光而产生的"电子-空穴 对"中的空穴可以通过p型Cu20层传输到电池的外部回路之中。
作为可选的技术方案，所述N型半导体层的厚度范围是100nm至1000nm。
作为可选的技术方案，所述N型半导体层与透明衬底层之间进一步包括多 晶氧化锌或非晶氧化锌过渡层。过渡层的作用在于提高氧化锌纳米线层的结晶 质量。本发明还提供了一种上述氧化锌基太阳能电池的制备方法，包括如下步
骤
(a) 提供透明衬底；
(b) 在透明衬底表面生长金属锌层；
(C)在金属锌层远离透明衬底的表面生长氧化锌纳米线层，作为N型半导体
层；
(d) 在氧化锌纳米线层远离金属锌层的表面生长光吸收层；
(e) 在光吸收层远离氧化锌纳米线层的表面制作P型半导体层；
(f) 在采用上述方法得到的多层结构中制作电极。 作为可选的技术方案，所述步骤(C)进一步包括如下步骤
(cl)将带有金属锌层的透明衬底置于石英管中； (C2)加热带有金属锌层的透明衬底；
(c3)使混有含锌物质粉末的氧气流过金属锌层远离透明衬底的表面。
所述含锌物质粉末选自于金属锌粉末及氧化锌粉末中的一种或两种。此方 法采用金属锌或者氧化锌的粉末作为锌源，以氧气作为氧源，反应容器采用石 英管。所述工艺所采用的物质和设备均为化合物半导体领域的常见物质和设 备，生长工艺简便易行，对设备和工艺环境的要求不高，材料和工艺成本均较 硅基太阳能电池等其他太阳能电池低廉，因此是一种优选的技术方案。
根作为可选的技术方案，所述光吸收层为硒化镉(CdSe)。在生长光吸收 层后，对光吸收层进行退火处理。通过退火处理可以进一步提高了硒化镉薄膜 的结晶质量，从而进一步提高了其光吸收效率。
作为可选的技术方案，所述P型半导体层为氧化亚铜(Cu20)。在生长P 型半导体层后，对P型半导体层进行退火处理。通过退火处理进一步提高了氧 化亚铜薄膜的结晶质量，从而提高了空穴传输速度，达到提高太阳能电池的光 电转化效率。
作为可选的技术方案，所述在透明衬底表面生长的金属锌层的厚度范围是 50nm至300nm。
作为可选的技术方案，所述氧化锌纳米线层的厚度范围是100nm至lOOOnm。
本发明的优点在于-
(1) 所述太阳能电池的整体结构简单，并且制备工艺简单易行。
(2) 太阳能电池的N型半导体层中含有氧化锌纳米线材料，可以提高了载 流子的传输速度，从而提高了太阳能电池光电转化效率。
(3) 采用全固态结构，能够克服液态接太阳能电池由于存在液态电解液而 带来的诸多问题。
附图1为本发明提供的氧化锌基太阳能电池的具体实施方式
的结构示意
附图2为本发明提供的氧化锌基太阳能电池制备方法的具体实施方式
的工 艺流程附图3至附图8为本发明提供的氧化锌基太阳能电池的制作方法具体实施 方式的工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的氧化锌基太阳能电池及其制备方法的具体 实施方式做详细说明。
首先结合附图给出本发明所述氧化锌基太阳能电池的具体实施方式
。
附图1为本发明提供的氧化锌基太阳能电池具体实施方式
的结构示意图， 包括透明衬底100， N型半导体层llO、光吸收层120、 P型半导体层130以及 电极结构141和142。
所述透明衬底100为导电玻璃，导电玻璃是一种透明介质，不吸收太阳光， 且成本较低，因此是一种优选的技术方案。
所述N型半导体层110为氧化锌纳米线，其优点在于使用氧化锌薄膜作为 电子传导层不会阻挡太阳光照射到吸收层，同时，由于氧化锌纳米线材料具有 较高的载流子迁移率，因此采用此材料构成的薄膜作为太阳能电池的电极进行电流传输，可以提高了载流子的传输速度，从而提高了太阳能电池光电转化效 率。
所述光吸收层120为硒化镉，其优点在于硒化镉材料的禁带宽度为1. 7eV， 与太阳光的波长(400nm至700nm)相匹配。
所述P型半导体层130为氧化亚铜，其优点在于本征的Cu20呈现P型电导， 无需掺杂即可以作为P型半导体层，并且氧化亚铜的材料成本较多晶硅、GaAs 等其他半导体材料低廉。
所述电极结构141和142为金属电极。
所述N型半导体层的厚度是500rnn。
所述N型半导体层IIO与透明衬底层IOO之间还可以进一步包括多晶氧化 锌或非晶氧化锌过渡层。过渡层的作用在于提高氧化锌纳米线层的结晶质量。
下面结合附图给出本发明所述氧化锌基太阳能电池制备方法的具体实施 方式。
附图2为本发明所述氧化锌基太阳能电池制备方法的具体实施方式
的工艺 流程图，包括如下步骤步骤SIO，提供透明衬底；步骤Sll，在透明衬底表 面生长金属锌层；步骤S12，在金属锌层远离透明衬底的表面生长氧化锌纳米 线层，作为N型半导体层；步骤S13，在氧化锌纳米线层远离金属锌层的表面 生长光吸收层；步骤S14，在光吸收层远离氧化锌纳米线层的表面制作P型半 导体层；步骤S15,在采用上述方法得到的多层结构中制作电极。
附图3至附图8为本发明提供的氧化锌基太阳能电池的制作方法具体实施 方式的工艺示意图。
附图3所示，参考步骤SIO，提供透明衬底200。在本具体实施方式
中， 所述透明衬底200为导电玻璃。
附图4所示，参考步骤Sll，在透明衬底表面生长金属锌层210。在本具 体实施方式中，利用真空镀膜技术在透明衬底200上制备出金属锌层210。金 属锌层210的厚度范围是50nm 300nm，优选80nm。
附图5所述，参考步骤S12，在金属锌层210远离透明衬底200的表面生长氧化锌纳米线层220,作为N型半导体层。
生长氧化锌纳米线220层的具体方法是将具有金属锌层210的透明衬底 200置于气相传输设备的石英管中，高纯(99.999%)金属锌粉作为锌源，透明 衬底200与金属锌层210加热至60(TC，利用氧气作为传输气体。氧气首先流 过金属锌粉，流过金属锌粉的氧气携带有金属锌的粉末。使携有金属锌粉末的 氧气流过金属锌层的表面，在金属锌层的表面制得氧化锌纳米线层。为了控制 氧气和金属锌粉末的比例，所述氧气中也可以混有一定比例的氩气。氧化锌纳 米线在金属锌层210的表面呈阵列状排列，可以进一步提高氧化锌纳米线的载 流子迁移率。若干纳米线聚集在一起，彼此之间的距离也较近，因此在宏观上 具有了一定的厚度和机械强度，形成了一个连续的氧化锌纳米线层220。由于 氧化锌所特有的自掺杂效应，因此该层可以作为N型半导体层。所述氧化锌纳 米线层220的厚度范围是100nm至1000nm
同时，在氧气的传输过程中，氧气还可以氧化金属锌层210，得到一层氧 化锌过渡层。该氧化锌过渡层为非晶的氧化锌，其作用在于提高后续生长的氧 化锌纳米线层210的结晶质量。
附图6所述，参考步骤S13，在氧化锌纳米线层220远离金属锌层210的 表面生长光吸收层230。
在本具体实施方式
中，采用磁控溅射方法在制备好的氧化锌纳米线层220 表面生长CdSe薄膜作为光吸收层230。采用磁控溅射方法，高纯CdSe体材料 作为靶材，溅射的轰击原子采用氩，溅射功率为150W，导电玻璃衬底加热至 300°C。 CdSe薄膜生长后，利用原位退火技术进行退火处理，退火温度为450 °C，得到高质量的CdSe薄膜。
附图7所示，参考步骤S14，在光吸收层230远离氧化锌纳米线层220的 表面制作P型半导体层240。
在本具体实施方式
中，在高质量的CdSe薄膜制备完成后，在磁控溅射设 备中直接生长高质量的Cu20薄膜。在光吸收层230和P型半导体层240的生长 过程中均采用磁控溅射方法，因此可以利用同一台设备，通过采用不同的靶材 进行，而无需将衬底从设备中取出，因此使工艺得到简化，且衬底无需暴露在
9空气中，因此提高了光吸收层230和P型半导体层240界面的质量，因此是一 种较佳的技术方案。在采用磁控溅射生长0120的过程中，使用Cii20体材料作 为靶材，溅射的轰击原子采用氧和氩的混合物质，溅射功率为240W，导电玻璃 衬底加热至40(TC。 Cu20薄膜生长后，利用原位退火技术进行退火处理，退火 温度为500°C ，得到高质量的Cu20薄膜。
附图8所示，参考步骤S15，在采用上述方法得到的多层结构中制作电极 251和252。
得到所述氧化锌纳米线/CdSe/Cu20多层结构之后，在多层结构中制作金属 电极。制作电极的详细步骤与现有的制作太阳能电池电极的方法相同，此处不 加赘述。
测试表明，经上述步骤实施完毕后制得的太阳能电池，其光电转化效率达 到8%以上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，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。
权利要求
1.一种氧化锌基太阳能电池，包括透明衬底层、透明衬底层表面的叠层和置于叠层中的电极，所述叠层包括位于透明衬底表面依次远离透明衬底的P型半导体层、光吸收层以及N型半导体层，其特征在于，所述N型半导体层中含有氧化锌纳米线材料。
2. 根据权利要求1所述的氧化锌基太阳能电池，其特征在于，所述光吸收 层为硒化镉。
3. 根据权利要求1或2所述的氧化锌基太阳能电池，其特征在于，所述P 型半导体层为氧化亚铜。
4. 根据权利要求1所述的氧化锌基太阳能电池，其特征在于，所述N型半 导体层的厚度范围是100nm至1000nm。
5. 根据权利要求1所述的氧化锌基太阳能电池，其特征在于，所述N型半 导体层与透明衬底层之间包括多晶氧化锌或非晶氧化锌过渡层。
6. —种权利要求1所述的氧化锌基太阳能电池的制备方法，其特征在于， 包括如下步骤(a) 提供透明衬底；(b) 在透明衬底表面生长金属锌层；(c) 在金属锌层远离透明衬底的表面生长氧化锌纳米线层，作为N型半导 体层；(d) 在氧化锌纳米线层远离金属锌层的表面生长光吸收层；(e) 在光吸收层远离氧化锌纳米线层的表面制作P型半导体层；(f) 在采用上述方法得到的多层结构中制作电极。
7. 根据权利要求6所述的氧化锌基太阳能电池的制备方法，其特征在于， 所述步骤(c)进一步包括如下步骤(cl)将带有金属锌层的透明衬底置于石英管中； (c2)加热带有金属锌层的透明衬底；(c3)使混有含锌物质粉末的氧气流过金属锌层远离透明衬底的表面。
8. 根据权利要求7所述的氧化锌基太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述含锌物质粉末选自于金属锌粉末及氧化锌粉末中的一种或两种。
9. 根据权利要求6所述的氧化锌基太阳能电池的制备方法，其特征在于， 所述光吸收层为硒化镉。
10. 根据权利要求9所述的氧化锌基太阳能电池的制备方法，其特征在于， 进一步包括如下步骤在生长光吸收层后，对光吸收层进行退火处理。
11. 根据权利要求6或9所述的氧化锌基太阳能电池的制备方法，其特征 在于，所述P型半导体层为氧化亚铜。
12. 根据权利要求11所述的氧化锌基太阳能电池的制备方法，其特征在于， 进一步包括如下步骤在生长P型半导体层后，对P型半导体层进行退火处理。
13. 根据权利要求6所述的氧化锌基太阳能电池的制备方法，其特征在于， 所述在透明衬底表面生长的金属锌层的厚度范围是50nm至300ran。
14. 根据权利要求6所述的氧化锌基太阳能电池的制备方法，其特征在于， 所述氧化锌纳米线层的厚度范围是100nm至1000nm。
全文摘要
一种氧化锌基太阳能电池，包括透明衬底层、透明衬底层表面的叠层和置于叠层中的电极，所述叠层包括位于透明衬底表面依次远离透明衬底的P型半导体层、光吸收层以及N型半导体层，所述N型半导体层中含有氧化锌纳米线材料。本发明的优点在于所述太阳能电池的整体结构简单，并且制备工艺简单易行；太阳能电池的N型半导体层中含有氧化锌纳米线材料，可以提高了载流子的传输速度，从而提高了太阳能电池光电转化效率；采用全固态结构，能够克服液态接太阳能电池由于存在液态电解液而带来的诸多问题。
文档编号H01L31/075GK101615640SQ20081003971
公开日2009年12月30日 申请日期2008年6月27日 优先权日2008年6月27日
发明者王相虎 申请人:上海电机学院