專(zhuān)利名稱(chēng)：一種具有表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的氧化亞銅太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的氧化亞銅薄膜太陽(yáng)能電池。
背景技術(shù)：
氧化亞銅是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有原料豐富、價(jià)格便宜、環(huán)境友好、對(duì)可見(jiàn)光吸收系數(shù)高、電子/載流子遷移率高、少數(shù)載 流子擴(kuò)散長(zhǎng)度大等優(yōu)點(diǎn)，在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。氧化亞銅薄膜制備方法有熱氧化法、磁控濺射法、脈沖激光沉積法等，這些制備方法能耗大、儀器昂貴、生產(chǎn)成本高，相對(duì)來(lái)說(shuō)，電化學(xué)沉積法生產(chǎn)成本低、儀器簡(jiǎn)單、適合大批量生產(chǎn)。另一方面，目前基于氧化亞銅薄膜的肖特基太陽(yáng)能電池和異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池效率較低。雖然已有人報(bào)道了氧化亞銅同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池[Solar EnergyMaterials and Solar Cells 93 (2009) 153 - 157]，但是較低的短路電流密度嚴(yán)重影響電池性能。發(fā)明內(nèi)容為了解決以上氧化亞銅太陽(yáng)能電池效率低、較低的短路電流密度嚴(yán)重影響氧化亞銅同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池性能的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種具有表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的、可以提供穩(wěn)定的恒電流輸出且具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率的氧化亞銅薄膜太陽(yáng)能電池。本實(shí)用新型是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的一種具有表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的氧化亞銅薄膜太陽(yáng)能電池，在導(dǎo)電玻璃上沉積有一層η型氧化亞銅薄膜，在η型氧化亞銅薄膜上沉積有一層表面形貌為金字塔形狀的P型氧化亞銅薄膜，導(dǎo)電玻璃及P型氧化亞銅薄膜上設(shè)置有金屬電極。所述導(dǎo)電玻璃為FTO導(dǎo)電玻璃、ITO導(dǎo)電玻璃、ZAO導(dǎo)電玻璃，或者其它導(dǎo)電玻璃，只要能夠用于太陽(yáng)能電池中的導(dǎo)電玻璃都可以用在本實(shí)用新型的方案中，種類(lèi)沒(méi)有特別限制。η型氧化亞銅的薄膜厚度為O. 1-1 μ m，P型氧化亞銅的薄膜厚度為O. 5-5 μ m,厚度與沉積條件有關(guān)系，但對(duì)氧化亞銅薄膜太陽(yáng)能電池的電池性能影響不顯著。所謂織構(gòu)是指多晶體在其形成過(guò)程中，由于受到外界的力、熱、電、磁等各種不同條件的影響，由擇優(yōu)取向生長(zhǎng)而導(dǎo)致的組織結(jié)構(gòu)及規(guī)則聚集排列狀態(tài)。此處所謂自織構(gòu)是指在氧化亞銅薄膜在電化學(xué)沉積生長(zhǎng)過(guò)程中自發(fā)形成規(guī)則排列的金字塔形，這區(qū)別與傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能電池中所采用的由后續(xù)腐蝕所得的織構(gòu)結(jié)構(gòu)。由于“金字塔”結(jié)構(gòu)增大了光在p-n結(jié)內(nèi)部的光程，使光子可以充分被同質(zhì)結(jié)吸收，由此制備的氧化亞銅同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池短路電流密度、開(kāi)路電壓和效率明顯提高。本實(shí)用新型的有益效果(I)該工藝制備的P型氧化亞銅薄膜具有表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)，表面形貌呈現(xiàn)“金字塔”結(jié)構(gòu)；(2)本實(shí)用新型的具有表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的氧化亞銅薄膜太陽(yáng)能電池，可以提供穩(wěn)定的恒電流輸出，且具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)了氧化亞銅太陽(yáng)能電池的快速、低成本、無(wú)污染、大批量生產(chǎn)； (3)本發(fā)明的制備工藝簡(jiǎn)單、無(wú)污染，原材料豐富、廉價(jià)，特別適合制備大批量、低成本太陽(yáng)能電池。
圖I無(wú)表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的P型氧化亞銅薄膜表面的掃描電子顯微鏡照片，圖2具有“金字塔”形狀的表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的P型氧化亞銅薄膜表面的掃描電子顯微鏡照片，圖3 η型氧化亞銅薄膜的X射線衍射圖譜，圖4 P型氧化亞銅薄膜的X射線衍射圖譜，圖5氧化亞銅薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖，圖6兩種氧化亞銅太陽(yáng)能電池在I. 5ΑΜ模擬太陽(yáng)光譜輻照度下(100mW/cm2)的電流密度-電壓曲線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型不限于以下列舉的特定例子。實(shí)施例I(l)n型氧化亞銅薄膜的生長(zhǎng)將導(dǎo)電玻璃放入電解槽中，所采用電解液為醋酸銅與醋酸的混合液，醋酸銅濃度為O. 02mol/l，醋酸濃度為O. 08mol/L,并通過(guò)滴加濃度為5mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值為4. 9，施加-O. 03V恒電壓，在60°C下沉積60min，制備得到η型氧化亞銅薄膜，厚度為I μ m，其X射線衍射圖譜如圖3所示，表明薄膜無(wú)明顯擇優(yōu)取向生長(zhǎng)方向；(2) P型氧化亞銅薄膜的生長(zhǎng)將得到的η型氧化亞銅薄膜放入電解槽，采用的電解液為硫酸銅與乳酸的混合液，硫酸銅濃度O. 4mol/L,乳酸濃度為5mol/L，并通過(guò)滴加濃度為5mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)PH值為11，沉積電壓為-O. IV，在60°C下沉積60min，得到一層具有“金字塔”形狀的表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的P型氧化亞銅薄膜，厚度為5 μ m，制備出氧化亞銅同質(zhì)p-n結(jié)；具有“金字塔”形狀的表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的P型氧化亞銅薄膜掃描電子顯微鏡照片如圖2所示，同圖I中無(wú)表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的P型氧化亞銅薄膜表面的掃描電子顯微鏡照片相比，表面形貌有很大的區(qū)別；制備的P型氧化亞銅薄膜的X射線衍射圖譜如圖4所示，表明薄膜具有明顯的(111)擇優(yōu)生長(zhǎng)方向，與立方結(jié)構(gòu)的金字塔型織構(gòu)結(jié)果相符；(3)氧化亞銅同質(zhì)結(jié)薄膜太陽(yáng)能電池的組裝得到步驟(2)的氧化亞銅同質(zhì)結(jié)薄膜之后，太陽(yáng)能電池的組裝可以采用本領(lǐng)域的常用或者通用手段，只要是能夠?qū)⒊练e有氧化亞銅同質(zhì)結(jié)薄膜的導(dǎo)電玻璃制成太陽(yáng)能電池就可以，沒(méi)有特殊要求，本實(shí)施例中以多孔的銅金屬片為掩膜，通過(guò)直流濺射法，在導(dǎo)電玻璃和P型氧化亞銅薄膜上制備金電極，直徑5 50mm，得到具有表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的氧化亞銅薄膜太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。實(shí)施例2[0034](l)n型氧化亞銅薄膜的生長(zhǎng)將FTO透明導(dǎo)電玻璃切成1X4 cm的基片，接著用光漂洗滌劑超聲清洗30_60min，酒精超聲清洗30-60min,再用用蒸懼水超聲清洗10-30min,最后放入烘干箱干燥；將干燥的基片放入電解槽中，所采用電解液為醋酸銅與醋酸的混合液，醋酸銅濃度為O. 02mol/L,醋酸濃度為O. 04mol/L，調(diào)節(jié)pH值為4，施加-O. IV恒電壓，在40°C下沉積30 min，制備得到η型氧化亞銅薄膜，厚度為O. I μ m，其X射線衍射圖譜同圖3相似，表明薄膜無(wú)明顯擇優(yōu)取向生長(zhǎng)方向；(2) P型氧化亞銅薄膜的生長(zhǎng)將得到的η型氧化亞銅薄膜放入電解槽，采用的電解液為硫酸銅與乳酸的混合液，硫酸銅濃度O. 2mol/L，乳酸濃度為3mol/L，調(diào)節(jié)pH值為12，沉積電壓為-O. 2V，在40°C下沉積30min，得到一層具有“金字塔”形狀的表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的P型氧化亞銅薄膜，厚度為O. 5 μ m,制備出氧化亞銅同質(zhì)p-n結(jié)；具有“金字塔”形狀的表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的P型氧化亞銅薄膜掃描電子顯微鏡照片同圖2相似，X射線衍射圖譜同圖4相似，表明薄膜具有明顯的(111)擇優(yōu)生長(zhǎng)方向，與立方結(jié)構(gòu)的金字塔型織構(gòu)結(jié)果相符；(3)氧化亞銅同質(zhì)結(jié)薄膜太陽(yáng)能電池的組裝在導(dǎo)電玻璃和P型氧化亞銅薄膜上制備金電極，得到具有表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的氧化亞銅薄膜太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。實(shí)施例3(l)n型氧化亞銅薄膜的生長(zhǎng)將導(dǎo)電玻璃用光漂洗滌劑超聲清洗30-60min，酒精超聲清洗30_60min，再用用蒸餾水超聲清洗10_30min，最后放入烘干箱干燥，然后放入電解槽中，所采用電解液為醋酸銅與醋酸的混合液，醋酸銅濃度為O. 015mol/L,醋酸濃度為O. 06mol/L,并通過(guò)滴加濃度為3mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值為4. 5，施加-O. OlV恒電壓，在50°C下沉積45min，制備得到η型氧化亞銅薄膜，厚度為O. 6 μ m，其X射線衍射圖譜同圖3相似，表明薄膜無(wú)明顯擇優(yōu)取向生長(zhǎng)方向；(2) P型氧化亞銅薄膜的生長(zhǎng)將得到的η型氧化亞銅薄膜放入電解槽，采用的電解液為硫酸銅與乳酸的混合液，硫酸銅濃度O. 3mol/L,乳酸濃度為4mol/L，并通過(guò)滴加濃度為3mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)PH值為11. 5，沉積電壓為-O. 3V，在50°C下沉積45min，得到一層具有“金字塔”形狀的表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的P型氧化亞銅薄膜，厚度為3 μ m，制備出氧化亞銅同質(zhì)p-n結(jié)；具有“金字塔”形狀的表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的P型氧化亞銅薄膜掃描電子顯微鏡照片同圖2相似，制備的P型氧化亞銅薄膜的X射線衍射圖譜同圖4相似，表明薄膜具有明顯的(111)擇優(yōu)生長(zhǎng)方向，與立方結(jié)構(gòu)的金字塔型織構(gòu)結(jié)果相符；(3)氧化亞銅同質(zhì)結(jié)薄膜太陽(yáng)能電池的組裝以多孔的銅金屬片為掩膜，通過(guò)直流濺射法，在導(dǎo)電玻璃和P型氧化亞銅薄膜上制備圓形金電極，直徑5mm，得到具有表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的氧化亞銅薄膜太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。以上電解時(shí)使用的對(duì)電極可以為電化學(xué)中一般使用的電極，比方說(shuō)石墨電極等。[0050]太陽(yáng)能電池性能測(cè)試采用實(shí)施例I制備得到的具有表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的氧化亞銅薄膜太陽(yáng)能電池進(jìn)行測(cè)試，無(wú)表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的氧化亞銅薄膜太陽(yáng)能電池作為對(duì)比。此測(cè)試是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下進(jìn)行的，所述標(biāo)準(zhǔn)條件為測(cè)試溫度25±2°C，光源的光譜輻照度lOOmW/cm2，并具有標(biāo)準(zhǔn)的AMl. 5太陽(yáng)光譜 輻照度分布。測(cè)試結(jié)果為在光照下可作為電池持續(xù)輸出電流，采用具有表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)技術(shù)制備的氧化亞銅同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池輸出電流更高，光電轉(zhuǎn)化效率也更高，因而性能更好。具體參數(shù)見(jiàn)表I。表I兩種電池性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果
短路電流g開(kāi)路電屋.填充is子 mm
太,11 電觀塑 gfaA/ci ) (V)U)__
無(wú)霍畫(huà)自織, 3.400,0823, eCl 065
3,9 0.12 22.6 CU 0權(quán)利要求1.一種具有表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的氧化亞銅太陽(yáng)能電池，其特征在于在導(dǎo)電玻璃上沉積有一層η型氧化亞銅薄膜，在η型氧化亞銅薄膜上沉積有一層表面形貌為金字塔形狀的P型氧化亞銅薄膜，導(dǎo)電玻璃及P型氧化亞銅薄膜上設(shè)置有金屬電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氧化亞銅太陽(yáng)能電池，其特征在于所述導(dǎo)電玻璃為FTO導(dǎo)電玻璃、ITO導(dǎo)電玻璃或ZAO導(dǎo)電玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氧化亞銅太陽(yáng)能電池，其特征在于η型氧化亞銅的薄膜厚度為O. 1-1 μ ,ρ型氧化亞銅的薄膜厚度為O. 5-5 μ m。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域一種具有表面自織構(gòu)結(jié)構(gòu)的氧化亞銅薄膜太陽(yáng)能電池，在導(dǎo)電玻璃上沉積有一層n型氧化亞銅薄膜，在n型氧化亞銅薄膜上沉積一層表面形貌為金字塔形狀的p型氧化亞銅薄膜，導(dǎo)電玻璃及p型氧化亞銅薄膜上有電極。本實(shí)用新型的太陽(yáng)能電池可以提供穩(wěn)定的恒電流輸出，具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)了氧化亞銅太陽(yáng)能電池的快速低成本無(wú)污染大批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/068GK202373597SQ20112049277
公開(kāi)日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者劉暢, 曹丙強(qiáng), 胡夕倫 申請(qǐng)人:劉暢