一种室内光伏器件及其制备方法

本发明属于光电材料及薄膜太阳能电池制备领域，更具体地，涉及一种室内光伏器件及其制备方法，尤其一种cdsse薄膜及其室内光伏器件制备方法。

背景技术：

1、物联网(internet of things，iot)技术可以实现电子设备的互联和基于这种连接的智能信息处理。由于这些系统大多在室内运用，一个稳定的、连续的室内能源是必不可少的。室内光伏器件(indoor photovoltaics，ipv)展示了为此类物联网提供能量的潜力。太阳光am1.5光谱范围约为300-1100nm，而室内光源的发射光谱(荧光灯(fl)和发光二极管(led))范围较窄，位于400-700nm的范围内。这就要求室内光伏器件的光吸收材料拥有比标准光源下光吸收材料更宽的带隙。根据理论模拟，1.80-1.90ev能带隙的吸收材料是高性能ipvs的理想材料。同时，fl和led的强度也比am1.5低三个数量级，由于室内光源强度过低，只能产生很少的载流子，ipvs对缺陷和界面接触要求较高。

2、近年来，物联网高速发展导致了巨大的ipvs市场需求，室内光伏器件得到了迅猛的发展。比如染料敏化太阳能电池(dsscs)在室内低光源下表现良好，转换效率超过30％，然而，这类设备的高成本限制了其商业化的进一步发展。有机太阳能电池(opv)得益于良好的光电性能和带隙可调的特点，得到了高速的发展，但是其产业化道路的发展受限于opv复杂的有机分子合成过程和高昂的材料成本。钙钛矿太阳能电池具有带隙可调、结构简单、易大面积/柔性制备和光电性能优异等优点，近年来吸引了人们的注意，在光伏领域中得到了迅猛发展，但是一般钙钛矿光伏器件稳定性问题尚未解决，是其商业化应用的最大瓶颈之一。因此，迫切需要发展一种高性能、低成本、高稳定性、易制备的ipv器件。

3、cdsse是一种具有优异光电性能、高稳定性和低成本特点的三元化合物，导电类型为n型，可以通过改变s和se元素的组成来调节禁带宽度范围(1.80ev-1.90ev)。由于其禁带宽度较大，可见光吸收系数高，非常适宜作为室内光伏器件吸收层材料。此外，cdsse薄膜的高化学物理稳定性使其在室内光伏应用上具备优势。而目前cdsse薄膜太阳能电池研究较少，在室内光伏应用方面也缺乏系统的研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种以镉硫硒三元化合物薄膜作为光吸收层的室内光伏器件及其制备方法，在室内光波段具有良好的吸收，且在室内环境下有较好的稳定性，具有较高的极限转换效率。解决目前室内光伏器件稳定性差或生产复杂等问题，为高性能cdsse薄膜室内光伏器件提供技术指导。

2、根据本发明第一方面，提供了一种室内光伏器件，从下至上依次为导电玻璃、电子传输层、光吸收层、空穴传输层、导电电极和金属栅电极；所述光吸收层为cdsxse1-x薄膜，其中0.2≤x≤0.3。

3、优选地，所述光吸收层的厚度为300～1000nm。

4、优选地，所述电子传输层为氧化锌、硫化镉或氧化钛；所述电子传输层的厚度为50～200nm；

5、所述空穴传输层为聚乙烯二氧噻吩、氧化镍或[2-(3,6-二甲氧基-9h-咔唑-9-基)乙基]膦酸；所述空穴传输层的厚度为20～200nm。

6、优选地，所述导电电极为氧化铟锡或氟掺氧化铟锡；所述导电电极的厚度为100～200nm；

7、所述金属栅电极的材质为ag、au、al或镍铝合金材料；所述金属栅电极的厚度为50～150nm。

8、优选地，所述导电玻璃为透明导电玻璃；所述导电电极为透明导电电极。

9、根据本发明另一方面，提供了任意一项室内光伏器件的制备方法，包括以下步骤：

10、(1)在导电玻璃上表面制备电子传输层；

11、(2)在步骤(1)得到的电子传输层上表面通过气相传输沉积法制备光吸收层，具体为以cds粉末和cdse粉末进行双蒸发源蒸发，所述cds粉末和cdse粉末的面积之比为得到cdsxse1-x薄膜，其中0.2≤x≤0.3；

12、(3)在步骤(2)得到的光吸收层上表面依次制备空穴传输层、导电电极和金属栅电极，即得到所述室内光伏器件。

13、优选地，步骤(2)中，所述蒸发的温度为600～850℃。

14、优选地，步骤(1)中，制备电子传输层采用磁控溅射法、化学水浴法或喷涂法。

15、优选地，步骤(3)中，制备空穴传输层采用旋涂法或原子层沉积法，制备导电电极采用磁控溅射法或旋涂法，制备金属栅电极采用热蒸发法或丝网印刷法。

16、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

17、(1)本发明的镉硫硒三元化合物薄膜室内光伏器件在室内光波段具有良好的吸收，且在室内环境下有较好的稳定性，理论极限转换效率可超过50％。

18、(2)通过控制s和se元素的比例，优化cdsse薄膜带隙，本发明的镉硫硒三元化合物薄膜结合了cds和cdse的性质，具有良好的电性能。通过控制蒸发源cds和cdse粉源的蒸发面积及蒸发温度实现对蒸发速率的可控调节，达到带隙连续调节(1.80-1.90ev)的目的，制备的镉硫硒三元化合物薄膜在可见光区域具有高吸收系数，满足室内光源光谱需求，提高能量转化效率。

19、(3)本发明推动镉硫硒三元化合物薄膜在室内光伏的发展，并且在物联网领域的应用表现出了巨大的发展前景。

技术特征：

1.一种室内光伏器件，其特征在于，从下至上依次为导电玻璃、电子传输层、光吸收层、空穴传输层、导电电极和金属栅电极；所述光吸收层为cdsxse1-x薄膜，其中0.2≤x≤0.3。

2.如权利要求1所述的室内光伏器件，其特征在于，所述光吸收层的厚度为300～1000nm。

3.如权利要求1或2所述的室内光伏器件，其特征在于，所述电子传输层为氧化锌、硫化镉或氧化钛；所述电子传输层的厚度为50～200nm；

4.如权利要求1或2所述的室内光伏器件，其特征在于，所述导电电极为氧化铟锡或氟掺氧化铟锡；所述导电电极的厚度为100～200nm；

5.如权利要求1或2所述的室内光伏器件，其特征在于，所述导电玻璃为透明导电玻璃；所述导电电极为透明导电电极。

6.如权利要求1-5任意一项室内光伏器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述室内光伏器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述蒸发的温度为600～850℃。

8.如权利要求6或7所述室内光伏器件的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，制备电子传输层采用磁控溅射法、化学水浴法或喷涂法。

9.如权利要求6或7所述室内光伏器件的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，制备空穴传输层采用旋涂法或原子层沉积法，制备导电电极采用磁控溅射法或旋涂法，制备金属栅电极采用热蒸发法或丝网印刷法。

技术总结
本发明涉及一种室内光伏器件及其制备方法，属于光电材料及薄膜太阳能电池制备领域。本发明室内光伏器件从下至上依次为导电玻璃、电子传输层、光吸收层、空穴传输层、导电电极和金属栅电极；光吸收层为镉硫硒三元化合物薄膜。本发明中镉硫硒三元化合物薄膜结合了CdS和CdSe的性质，具有良好的电性能，通过控制S与Se的元素比例实现带隙的连续调节(1.80eV‑1.90eV)，在可见光区域具有高吸收系数，满足室内光源光谱需求，提高能量转化效率。本发明有力地推动了镉硫硒三元化合物薄膜在室内光伏领域的发展，并且在物联网领域的应用中表现出巨大的发展前景。

技术研发人员：唐江,包晓庆,李康华,陈超,薛家有,杨许可,曾祥斌
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14