一种基于非极性m面BeMgZnO透明薄膜太阳能电池及其制备方法与流程

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种透明薄膜太阳能电池，更具体地说，本发明涉及一种基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

目前，人类面临着全球能源需求增加、化石燃料日益耗尽和环境污染等一系列问题，这使人们认识到开发清洁、丰富、可再生能源已经迫在眉睫。太阳能作为一种可再生清洁能源，引起了人们的广泛关注。近年来，太阳能电池行业得到了飞速的发展。继晶体si太阳能电池研发以来，人们陆续开发出了非晶si太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机光伏太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等。然而，目前传统太阳能电池的发展存在着光电转换效率已接近其理论极限和其安装使用范围有限两个问题，这极大限制了太阳能电池行业的发展。

不同于传统的太阳能电池，透明太阳能电池具有安装范围广泛的优点，它可以被应用于建筑物窗玻璃、交通工具窗玻璃、甚至手机、手表的屏幕等。这在不影响人类日常生活的前提下有效利用自然界的太阳光来转换成人类日常所需的电能。所以，透明太阳能电池的发展及其重要。

bemgzno四元合金是一种宽禁带、高可见光透过性的半导体材料，在光电器件方面具有广泛的潜在应用。bemgzno四元合金的结构和zno类似，均为六方纤锌矿结构。由于zno晶体内部由o原子面和zn原子面交替排列，而zn-o键具有极性，整齐排列zn-o键使得zno在c轴方向上具有一个自发极化场，且该电场遍布整个zno材料内部，这可促使光生载流子的有效分离，因此，bemgzno在透明太阳能电池领域具有巨大潜在应用价值。

现有技术中已有采用基于二元、三元金属材料制备太阳能电池或透明太阳能电池的报道，例如，公布号为cn108022982a的专利申请公开了“一种基于zno基透明太阳能电池的智能窗及其制备方法”，包括从下至上依次设置的玻璃衬底层、第一网格状ag纳米线电极层、n型zno薄膜层、p型znmgo薄膜层、第二网格状ag纳米线电极层、ag纳米离子薄膜层。另外，公布号为cn106449875a的专利申请公开了“一种利用mgzno薄膜制作cigs薄膜太阳能电池的方法”，利用该发明方法制得的太阳能电池可有效地增大对蓝光的吸收，增加光谱响应范围，提高cigs薄膜太阳能电池的开路电压，提升电池效率。但是上述现有技术公开的方法制得的光电器件结构复杂，至少包含4层结构，且采用的原料成本昂贵，制备工艺繁琐，实验周期较长，不利于工业化生产。

本申请发明人课题组在前期已公开发表了研究成果“氧压变化对脉冲激光沉积法制备bemgzno四元合金薄膜性能的影响”：采用脉冲激光沉积法，以bemgzno陶瓷为靶材、c面蓝宝石为衬底，在固定衬底温度700℃、0～4pa间的不同氧压条件下制备出了单相、具有纤锌矿结构和c面取向的bemgzno四元合金薄膜。本申请是在上述工作的基础上，进一步深入研究开发和创新后提出的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池及其制备方法。本发明旨在利用bemgzno四元zno合金薄膜c轴方向的自发极化电场来实现光能到电能的转换，从而构建bemgzno基透明薄膜太阳能电池。

为了实现本发明的上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底、光吸收层、一对平行金属电极，其中：所述光吸收层为非极性m面bemgzno四元合金薄膜，所述平行金属电极用于收集光生电子，所述平行金属电极垂直于所述m面bemgzno四元合金薄膜的c轴方向。

进一步地，上述技术方案，所述光吸收层的厚度为200～800nm。

进一步地，上述技术方案，所述平行电极的厚度为50～200nm。

进一步地，上述技术方案，所述平行电极的间距为10～100μm。

进一步地，上述技术方案，所述平行金属电极材料可以为al、cu、ag中的任一种，优选为al。

进一步地，上述技术方案，所述m面蓝宝石衬底厚度为0.1～0.6mm，优选为0.35～0.45mm。

本发明的另一目的在于提供上述所述基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)以m面蓝宝石作为薄膜生长的衬底，利用清洗液对所述衬底进行超声清洗后用氮气吹干，立即置于脉冲激光沉积系统的真空腔内；

(2)采用脉冲激光烧蚀沉积方法，利用bemgzno陶瓷作为靶材，控制衬底温度为300～800℃，脉冲激光能量为200～600mj/pulse，薄膜沉积氧压为0～10pa，在洁净干燥的m面蓝宝石衬底表面沉积m面bemgzno外延薄膜，并确定薄膜的c轴方向；

(3)利用真空蒸镀仪，通过热蒸发的方法在步骤(2)得到的bemgzno薄膜表面蒸镀一对平行金属电极，其中：所述金属平行电极与bemgzno薄膜c轴方向垂直。

进一步地，上述技术方案，步骤(1)中所述清洗液包括丙酮、乙醇、去离子水，所述超声清洗时间优选为15min。

进一步地，上述技术方案，步骤(2)中所述沉积时间为10～60min。

进一步地，上述技术方案，步骤(2)中所述bemgzno陶瓷靶材是采用固相烧结法制得，具体方法如下：按配比将beo、zno、mgo粉体原料混合均匀，然后置于真空管式炉烧制1～2h后制得，其中：烧结温度为1100～1400℃。

更进一步地，上述技术方案，所述粉体原料beo、zno、mgo的摩尔比为0.05：0.85：0.10。

本发明的原理如下：

本发明首先通过脉冲激光沉积技术在m面蓝宝石表面沉积得到m面bemgzno外延薄膜，然后通过热蒸镀法在垂直于薄膜表面c轴方向沉积一对平行金属电极，制备出了基于m面bemgzno薄膜太阳能电池。

本申请在m面蓝宝石表面沉积得到的m面bemgzno外延薄膜与zno的结构相同，zno晶体结构是一种六方纤锌矿结构，其内部由o原子面和zn原子面交替排列，而zn-o键具有极性，整齐排列zn-o键使得zno在c轴方向上具有一个自发极化场，本发明通过利用m面bemgzno四元合金薄膜内部的自发极化电场来取代传统太阳能电池中的pn结内建电场来实现对光生载流子的分离和传输。最终达到将光能转换成电能的目的。

与现有技术相比，本发明涉及的一种基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池及其制备方法具有如下有益效果：

(1)与mgzno三元合金薄膜相比，本发明的四元合金薄膜bemgzno带隙宽度更大；

(2)本发明利用透明的m面bemgzno外延薄膜作为光吸收层，所制备的透明光伏器件相较于传统的太阳能电池具有更加广泛的应用范围，可应用于各种建筑物窗玻璃、交通工具窗玻璃、手机、手表屏幕等；

(3)本发明创造性地利用非极性m面bemgzno薄膜中自发极化电场来分离光生载流子以实现光电转换，相比于传统的太阳能电池，本发明所制备的基于m面bemgzno平面透明太阳能电池为平面结构，结构简单，且器件效果优良、性能稳定，光电流密度jsc可达0.04μa/cm²，开路电压可达40mv，为太阳能电池行业的发展提供了一个新思路；

(4)本发明的基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池的制备工艺简单，操作方便，且制备薄膜所需的原料价格低廉，制作成本低，且易于生产，适合工业生产，具有良好的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1所述的基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池的正面剖视图；

图2是本发明实施例1～3制备得到的bemgzno薄膜的xrd图谱；

图3是本发明实施例2制备得到的bemgzno薄膜的phi扫描图谱；

图4是本发明实施例1～3制备得到的基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池电流密度-电压曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施案例作详细说明。本实施案例在本发明技术方案的前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施案例。

根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本发明的精确描述进行各种改变，而不会偏离所附权利要求的精神和范围。应该理解，本发明的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本发明的特定方面。实际上，本领域或相关领域的技术人员明显能够对本发明实施方式作出的各种改变都涵盖在所附权利要求的范围内。

为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。

本发明下述各实施例中采用的蓝宝石衬底，其主要成分是氧化铝(al2o3)，m-al2o3表示m面蓝宝石。本发明中蓝宝石衬底的厚度优选为0.35～0.45mm。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底层、光吸收层、一对平行金属al电极，其中：所述光吸收层为非极性m面bemgzno四元合金薄膜，所述平行电极用于收集光生电子，所述平行金属电极垂直于所述m面bemgzno四元合金薄膜的c轴方向；所述衬底层的厚度为0.43mm，所述光吸收层的厚度为200nm，所述电极的厚度为80nm，所述平行电极的间距为100μm。

本实施例中上述的基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池采用如下方法制备而成，包括如下步骤：

(1)采用固相烧结法，以特定beo/zno/mgo摩尔配比(beo:zno:mgo＝0.05:0.85:0.10)的粉体为原料，通过真空管式炉在1100℃烧结2h，烧制成特定成分的bemgzno四元zno合金陶瓷靶材。

(2)采用m面蓝宝石作为衬底，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器各清洗15min，超声波清洗器工作频率为40khz，然后用氮气吹干后立即装入真空腔内。设定靶台与样品台间距为55mm、衬底温度为650℃、真空室氧压为0.5pa、激光脉冲能量为350mj/pulse、脉冲激光频率为5hz、样品台和靶台自转速度分别为10r/min和5r/min、沉积时间为30min条件下，制备得到bemgzno外延薄膜，并通过xrd扫描定下薄膜的c轴方向；

(3)将步骤(2)中制备得到的bemgzno薄膜放入真空镀膜仪的掩模版上并开启真空泵抽真空，待真空度为10^-4pa以下时，通过加热al颗粒得到一对垂直于bemgzno薄膜c轴方向且沟道宽度为100μm的al电极。

将本实施例制备得到的太阳能电池器件进行j-v测试，测试结果如图4所示。结果表明，本实施例制得的太阳能电池器件的光电流密度jsc和开路电压分别是0.04μa/cm²和22.6mv。

实施例2

本实施例的一种基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底层、光吸收层、一对平行金属al电极，其中：所述光吸收层为非极性m面bemgzno四元合金外延薄膜，所述平行电极用于收集光生电子；所述平行金属电极垂直于所述m面bemgzno四元合金薄膜的c轴方向；所述衬底层的厚度为0.43mm，所述光吸收层的厚度为300nm，所述电极的厚度为80nm，所述平行电极的间距为100μm。

本实施例上述的基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池采用如下方法制备而成，包括如下步骤：

(1)采用固相烧结法，以特定beo/zno/mgo摩尔配比(beo:zno:mgo＝0.05:0.85:0.10)的粉体为原料，通过真空管式炉在1100℃烧结2h，烧制成特定成分的bemgzno四元zno合金陶瓷靶材。

(2)采用m面蓝宝石作为衬底，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器各清洗15min，超声波清洗器工作频率为40khz，然后用氮气吹干后立即装入真空腔内。设定靶台与样品台间距为55mm、衬底温度为700℃、真空室氧压为0.5pa、激光脉冲能量为350mj/pulse、脉冲激光频率为5hz、样品台和靶台自转速度分别为10r/min和5r/min、沉积时间为30min条件下，制备得到bemgzno外延薄膜，并通过xrd扫描定下薄膜的c轴方向。

(3)将步骤(2)中制备得到的bemgzno薄膜放入真空镀膜仪的掩模版上并开启真空泵抽真空，待真空度为10^-4pa以下时，通过加热al颗粒得到一对垂直于bemgzno薄膜c轴方向且沟道宽度为100μm的金属al电极。

本发明实施例2制备得到的bemgzno薄膜的phi扫描谱图如图3所示。可以看到本实施例所述蓝宝石衬底及薄膜均展示出二重对称，且衬底与薄膜峰之间的phi角差值为90°，结合图1中结果，可以得到bemgzno薄膜与衬底的外延关系为：bemgzno(0001)||al2o3(110)和bemgzno(110)||al2o3(0001)。

将本实施例制备得到的太阳能电池器件进行j-v测试，测试结果如图4所示。结果表明，本实施例制得的太阳能电池器件的光电流密度jsc和开路电压分别是0.025μa/cm²和40mv。

实施例3

本实施例的一种基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底层、光吸收层、一对平行金属al电极，其中：所述光吸收层为非极性m面bemgzno四元合金外延薄膜，所述平行电极用于收集光生电子；所述平行金属电极垂直于所述m面bemgzno四元合金薄膜的c轴方向；所述衬底层的厚度为0.43mm，所述光吸收层的厚度为200nm，所述电极的厚度为80nm，所述平行电极的间距为100μm。

本实施例上述所述的基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池采用如下方法制备而成，包括如下步骤：

(1)采用固相烧结法，以特定beo/zno/mgo摩尔配比(beo:zno:mgo＝0.05:0.85:0.10)的粉体为原料，通过真空管式炉在1100℃烧结2h，烧制成特定成分的bemgzno四元zno合金陶瓷靶材。

(2)采用m面蓝宝石作为衬底，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器各清洗15min，超声波清洗器工作频率为40khz，然后用氮气吹干后立即装入真空腔内。设定靶台与样品台间距为55mm、衬底温度为700℃、真空室氧压为1.5pa、激光脉冲能量为350mj/pulse、脉冲激光频率为5hz、样品台和靶台自转速度分别为10r/min和5r/min、沉积时间为30min条件下，制备得到bemgzno外延薄膜，并通过xrd扫描定下薄膜的c轴方向。

(3)将步骤(2)中制备得到的bemgzno薄膜放入真空镀膜仪的掩模版上并开启真空泵抽真空，待真空度为10^-4pa以下时，通过加热al颗粒得到一对垂直于bemgzno薄膜c轴方向且沟道宽度为100μm的al电极。

将本实施例制备得到的太阳能电池器件进行j-v测试，测试结果如图4所示。结果表明，本实施例制得的太阳能电池器件的光电流密度jsc和开路电压分别是0.037μa/cm²和2.62mv。

另外，将上述实施例1～3制备得到的bemgzno薄膜分别进行了xrd测试，测试结果如图2所示。结果表明实施例1～3所制备的薄膜均为(100)取向的单相bemgzno薄膜。

实施例4

本实施例的一种基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底层、光吸收层、一对平行金属al电极，其中：所述光吸收层为非极性m面bemgzno四元合金外延薄膜，所述平行电极用于收集光生电子；所述平行金属电极垂直于所述m面bemgzno四元合金薄膜的c轴方向；所述衬底层的厚度为0.33mm，所述光吸收层的厚度为200nm，所述电极的厚度为50nm，所述平行电极的间距为10μm。

本实施例上述所述的基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池采用如下方法制备而成，包括如下步骤：

(1)采用固相烧结法，以特定beo/zno/mgo摩尔配比(beo:zno:mgo＝0.05:0.85:0.10)的粉体为原料，通过真空管式炉在1400℃烧结1h，烧制成特定成分的bemgzno四元zno合金陶瓷靶材。

(2)采用m面蓝宝石作为衬底，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器各清洗15min，超声波清洗器工作频率为40khz，然后用氮气吹干后立即装入真空腔内。设定靶台与样品台间距为55mm、衬底温度为500℃、真空室氧压为10pa、激光脉冲能量为200mj/pulse、脉冲激光频率为5hz、样品台和靶台自转速度分别为10r/min和5r/min、沉积时间为40min条件下，制备得到bemgzno外延薄膜，并通过xrd扫描定下薄膜的c轴方向。

(3)将步骤(2)中制备得到的bemgzno薄膜放入真空镀膜仪的掩模版上并开启真空泵抽真空，待真空度为10^-4pa以下时，通过加热al颗粒得到一对垂直于bemgzno薄膜c轴方向且沟道宽度为10μm的al电极。

实施例5

本实施例的一种基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次包括m面蓝宝石衬底层、光吸收层、一对平行金属cu电极，其中：所述光吸收层为非极性m面bemgzno四元合金外延薄膜，所述平行电极用于收集光生电子；所述平行金属电极垂直于所述m面bemgzno四元合金薄膜的c轴方向；所述衬底层的厚度为0.6mm，所述光吸收层的厚度为800nm，所述电极的厚度为200nm，所述平行电极的间距为50μm。

本实施例上述所述的基于非极性m面bemgzno透明薄膜太阳能电池采用如下方法制备而成，包括如下步骤：

(1)采用固相烧结法，以特定beo/zno/mgo摩尔配比(beo:zno:mgo＝0.05:0.85:0.10)的粉体为原料，通过真空管式炉在1250℃烧结1.5h，烧制成特定成分的bemgzno四元zno合金陶瓷靶材。

(2)采用m面蓝宝石作为衬底，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器各清洗15min，超声波清洗器工作频率为40khz，然后用氮气吹干后立即装入真空腔内。设定靶台与样品台间距为55mm、衬底温度为800℃、真空室氧压为5pa、激光脉冲能量为600mj/pulse、脉冲激光频率为5hz、样品台和靶台自转速度分别为10r/min和5r/min、沉积时间为60min条件下，制备得到bemgzno外延薄膜，并通过xrd扫描定下薄膜的c轴方向。

(3)将步骤(2)中制备得到的bemgzno薄膜放入真空镀膜仪的掩模版上并开启真空泵抽真空，待真空度为10^-4pa以下时，通过加热cu颗粒得到一对垂直于bemgzno薄膜c轴方向且沟道宽度为50μm的cu电极。