專利名稱：薄膜太陽電池CdS緩沖層及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽電池領(lǐng)域，具體涉及薄膜太陽電池CdS緩沖層
及制備方法。
背景技術(shù)：
在全球能源危機(jī)和環(huán)境污染日益加重的今天，太陽能以無污染， 零排放以及分布最廣泛，取之不盡等優(yōu)點(diǎn)越來越多地受到人們的重 視。太陽電池是解決日趨嚴(yán)重的能源危機(jī)與環(huán)境污染的有效手段之 一，得到人們越來越廣泛的關(guān)注和重視，世界各國均把發(fā)展太陽電池 技術(shù)放在可再生能源的首位。其中，太陽電池材料已成為目前最具活 力和最受矚目的研究領(lǐng)域之一。
基于晶體硅(單晶硅和多晶硅及其薄膜)的第一代太陽電池由于
其光電轉(zhuǎn)化率高(已分別達(dá)到24.7%和20.3%)目前在工業(yè)生產(chǎn)和市 場上處于主導(dǎo)地位。其技術(shù)比較成熟因而占整個(gè)太陽能產(chǎn)量的90% 以上。但是由于需要消耗大量高純原料，原料成本占總成本的60% 一80%，導(dǎo)致價(jià)格居高不下，成為太陽電池推廣應(yīng)用的主要障礙。由 于節(jié)省原材料，有效降低太陽電池的成本，基于薄膜技術(shù)的第二代太 陽電池逐漸顯示出巨大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?，成為近些年來太陽電池領(lǐng) 域的研究熱點(diǎn)。
在各種薄膜太陽電池當(dāng)中，以具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的硫?qū)倩衔?CuIni-xGaxSe2(CIGS, x^ l)作為光吸收層，CdS作為緩沖層的薄膜太 陽電池(ZnO/CdS/CIGS)由于轉(zhuǎn)化效率高(已達(dá)到19.9%)、穩(wěn)定性 好、制備簡單等特點(diǎn)受人們關(guān)注，成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。CUInSe2為代表的I-III-Vl2族黃銅礦結(jié)構(gòu)直接能隙半導(dǎo)體材料， 具有較高的光吸收系數(shù)(達(dá)105數(shù)量級)，適合于制成薄膜太陽電池， 其禁帶寬度為1.04 eV。
緩沖層在CIGS系薄膜太陽電池中是很必要而且是關(guān)鍵的組成部 分，它與吸收層的失配率大小決定異質(zhì)結(jié)性能是否良好。緩沖層的作 用包括(1)減少異質(zhì)結(jié)的晶格失配率；(2)包覆在粗糙的CIGS表 面，阻止后續(xù)膜層的制備工序(如濺射ZnO)對CIGS薄膜的損傷， 并消除由此引起的電池短路現(xiàn)象；(3)薄膜中原子擴(kuò)散到CIGS表面 有序缺陷層進(jìn)行微量摻雜，改善異質(zhì)結(jié)的特性。
CdS薄膜具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，是直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙為2.4eV， 將其應(yīng)用于CIGS電池的窗口層，并作為n型半導(dǎo)體，與p型的CIGS 構(gòu)成異質(zhì)結(jié)太陽電池。雖然CdS只有50nm左右厚，但CdS中Cd是 有毒的重金屬離子，在CdS的制備使用和回收處理中會對環(huán)境造成 污染；另外CdS的禁帶寬度為2.4eV，帶隙偏小，對太陽光長波部分 的吸收而會造成電池短路電流的降低。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前單一CdS用作CIGS系薄膜太陽電池緩沖層存在的問題， 本發(fā)明提供一種CdS緩沖層及其制備方法。
本發(fā)明的薄膜太陽電池CdS緩沖層的其特征是所述緩沖層是包 含CdxMl-XS的薄膜，其中(Kx^， M代表金屬化學(xué)元素。
在優(yōu)選實(shí)施例中，
所述緩沖層厚度為50nm-80nm，帶隙為2.3 eV-3.1eV。 所述CdxMl-XS是通過對CdS進(jìn)行金屬離子摻雜而獲得的,所述金 屬離子摻雜中金屬為Pb、 In、 Zn、 Sn中的至少一種。
本發(fā)明的薄膜太陽電池CdS緩沖層制備方法，是在一定溫度條件下，將含鎘的化合物與含硫的化合物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，向反應(yīng)過程中 添加含金屬離子的化合物或者溶液，進(jìn)行金屬離子摻雜，制備出
C4M,.xS薄膜。
所述含鎘的化合物為含Cd的鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽、醋酸鹽 中的至少一種化合物，優(yōu)選Cd硝酸鹽、硫酸鹽、醋酸鹽。反應(yīng)體系 中Cd2+濃度為0.005 1.0 mol/L。
所述含硫的化合物為Na2S， Na2S203，硫代乙酰胺，硫脲中的至 少一種化合物，優(yōu)選硫脲，Na2S203。反應(yīng)體系中S^濃度為0.005 1.0 mol/Lo
所述的化學(xué)反應(yīng)為化學(xué)浴沉積法。
所述的金屬離子慘雜中金屬離子為Pb、 In、 Zn、 Sn中的至少一 種。反應(yīng)體系中慘雜金屬離子濃度為0.005~1.0mol/L。 所述的反應(yīng)溫度為10°C ~90°C。
采用上述方案后， 一方面減少材料中Cd的用量，減少鎘金屬污 染問題，有利于環(huán)境保護(hù)；另一方面通過摻雜可有效調(diào)整緩沖層材料 的帶隙，繼而提高銅銦鎵硒系薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不得將這些實(shí) 施例解釋為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。 實(shí)施例1
所用藥品為分析純試劑，采用去離子水配制。用去離子水將 CdSO4配制成0.02 mol/L的溶液；用去離子水配制1.0 mol/L硫脲溶 液；將ZnS04配制成0.02 mol/L的溶液。先將100 mL硫酸鎘溶液和 100 mL氨水混合置于反應(yīng)器中，再將反應(yīng)器置于水浴鍋中加熱到 70°C，然后加入50 mL硫脲溶液混合，調(diào)整PH值約為8.5 8.8，將50 mL ZnS04溶液加入反應(yīng)體系中。反應(yīng)過程看到溶液首先變成黃綠 色，逐漸變成黃色，最后變成橙色。反應(yīng)時(shí)間為0.5 h。取出沉積樣 品，用去離子水清洗，再用氮?dú)獯蹈蓸悠?，得到摻Zn的Cd。.5Zn().5S 薄膜，厚度約為70mn，帶隙為3.1eV。 實(shí)施例2
所用藥品為分析純試劑，采用去離子水配制。用去離子水將 CdSO4配制成0.02mol/L的溶液;用去離子水配制1.0mol/L硫脲溶液， 將PbS04配制成0.02 mol/L的溶液。先將100 mL硫酸鎘溶液和100 mL氨水混合置于反應(yīng)器中，再將反應(yīng)器置于水浴鍋中加熱到70°C， 然后加入50 mL硫脲溶液混合，調(diào)整PH值約為9.5~9.5，將10 mL PbS04溶液加入反應(yīng)體系中。反應(yīng)過程看到溶液首先變成黃綠色，逐 漸變成黃色，最后變成橙色。反應(yīng)時(shí)間為0.5 h。取出沉積樣品，用 去離子水清洗，再用氮?dú)獯蹈蓸悠?，得到慘Pb的Cd。.9PbaiS薄膜， 厚度約為60nm，帶隙為2.3eV。 實(shí)施例3
所用藥品為分析純試劑，采用去離子水配制。用去離子水將CdCl2 配制成0.03 mol/L的溶液；用去離子水配制1.0 mol/L硫脲溶液，將 ZnCl2配制成0.03 mol/L的溶液。先將100 mL氯化鎘溶液和100 mL 氨水混合置于反應(yīng)器中，再將反應(yīng)器置于水浴鍋中加熱到70°C，然 后加入20mL硫脲溶液，調(diào)整PH值約為8.0~8.2，將50mLZnCl2溶 液加入反應(yīng)體系中。反應(yīng)過程看到溶液首先變成黃綠色，逐漸變成黃 色，最后變成橙色。反應(yīng)時(shí)間為0.6 h。取出沉積樣品，用去離子水 清洗，再用氮?dú)獯蹈蓸悠?，得到慘Zn的Cdo.7Zno.3S薄膜，厚度約為 80nm，帶隙為2.9eV。 實(shí)施例4
所用藥品為分析純試劑，采用去離子水配制。用去離子水將CdCl2配制成0.02 mol/L的溶液；用去離子水配制1.0 mol/L硫代硫酸鈉溶 液，將ZnCl2配制成0.02 mol/L的溶液。先將100 mL氯化鎘溶液和 100 mL氨水混合置于反應(yīng)器中，再將反應(yīng)器置于水浴鍋中加熱到 70°C，然后加入40 mL硫代硫酸鈉溶液，調(diào)整PH值約為9.0 9.2， 將40 mL ZnCl2溶液加入反應(yīng)體系中。反應(yīng)過程看到溶液首先變成黃 綠色，逐漸變成黃色，最后變成橙色。反應(yīng)時(shí)間為0.2 h。取出沉積 樣品，用去離子水清洗，再用氮?dú)獯蹈蓸悠?，得到慘Zn的CdQ.8Zn().2S 薄膜，厚度約為50nm，帶隙為2.8eV。
權(quán)利要求
1、一種薄膜太陽電池CdS緩沖層，其特征是所述緩沖層是包含CdxM1-XS的薄膜，其中0＜x＜1，M代表金屬化學(xué)元素。
2、 如權(quán)利要求1所述的薄膜太陽電池CdS緩沖層，其特征是所 述緩沖層厚度為50 nm-80 nm，帶隙為2.3 eV -3.1eV。
3、 如權(quán)利要求1所述的薄膜太陽電池CdS緩沖層，其特征是所 述CdxM10cS是通過對CdS進(jìn)行金屬離子摻雜而獲得的,所述金 屬離子摻雜中金屬為Pb、 In、 Zn、 Sn中的至少一種。
4、 薄膜太陽電池CdS緩沖層制備方法，其特征在于將含鎘的化 合物與含硫的化合物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)中添加含金屬離子的 化合物或者溶液，進(jìn)行金屬離子摻雜，制各出C4MlxS薄膜， 其中0"<1， M代表金屬化學(xué)元素。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的薄膜太陽電池CdS緩沖層制備方法，其 特征在于所述含鎘的化合物為含鎘的鹵化物、硝酸鹽、硫酸 鹽、醋酸鹽中的至少一種化合物。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的薄膜太陽電池CdS緩沖層制備方法，其 特征在于所述含硫的化合物為Na2S、 Na2S203、硫代乙酰胺、 硫脲中的至少一種化合物。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的薄膜太陽電池CdS緩沖層制備方法，其 特征在于所述化學(xué)反應(yīng)為化學(xué)浴沉積法。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的薄膜太陽電池CdS緩沖層制備方法，其 特征在于所述金屬離子摻雜中金屬為Pb、 In、 Zn、 Sn中的至 少一種。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的薄膜太陽電池CdS緩沖層制備方法，其 特征在于反應(yīng)溫度為10°C~90°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及薄膜太陽電池CdS緩沖層及制備方法。將含鎘的化合物與含硫的化合物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)中添加含金屬離子的化合物或者溶液，進(jìn)行金屬離子摻雜，制備出Cd_xM_1-xS薄膜，用作銅銦鎵硒(CIGS)系薄膜太陽電池的緩沖層材料。本發(fā)明一方面減少材料中Cd的用量，減少鎘金屬污染問題，有利于環(huán)境保護(hù)；另一方面通過摻雜可有效調(diào)整緩沖層材料的帶隙，繼而提高銅銦鎵硒系薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/0216GK101645466SQ200910108649
公開日2010年2月10日 申請日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日
發(fā)明者萍 劉, 賴延清 申請人:深圳丹邦投資集團(tuán)有限公司