一種基于硫?qū)賮嗐~化合物的納米異質(zhì)結(jié)太陽能電池及其制備方法
【專利說明】
一、技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種納米異質(zhì)結(jié)太陽能電池及其制備方法，具體地說是基于硫?qū)賮嗐~化合物異質(zhì)結(jié)的納米太陽能電池及其制備方法。
二、【背景技術(shù)】
[0002]自1959年第一塊基于平面硅的集成電路發(fā)明以來，平面硅工藝一直主導(dǎo)著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。歷經(jīng)半個世紀(jì)的發(fā)展，集成電路已由包含五個電子元件的第一塊集成電路板發(fā)展到超大規(guī)模集成電路，單個電路芯片集成的元件數(shù)達(dá)幾億甚至幾十、上百億個。集成電路發(fā)展的過程實(shí)際上就是器件特征尺寸不斷縮小、集成度不斷提高、性能價格比不斷降低的過程。太陽能電池領(lǐng)域亦是如此。
[0003]目前，硅基太陽能電池市場份額仍高達(dá)90%以上，然而居高不下的晶硅價格和其較低的吸收率推動人們在薄膜太陽能電池領(lǐng)域，尤其是無機(jī)物薄膜太陽能電池領(lǐng)域不斷尋求新的突破。
[0004]硫?qū)賮嗐~化合物是一類環(huán)境友好且在地殼中含量豐富的過渡金屬硫?qū)倩衔?，由于陽離子缺陷，呈P型半導(dǎo)體特性，此外，其具有較高的吸收系數(shù)和優(yōu)良的光電特性，因而在薄膜太陽能電池領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用研究。通過傳統(tǒng)高真空技術(shù)制備的Cu2S/CdS(IEEE Trans.Electron.，1977，24，381)、Cu2-xSe/CdS(Appl.Phys.1ett.，1985,46，1095)體系，是研究最早的薄膜太陽能體系之一。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，基于Cu2S納米晶的薄膜太陽能電池的研究也取得了顯著的研究進(jìn)展(Nano Lett.，2008，8，2551)。盡管其光電轉(zhuǎn)換效率僅1.6%，但是液相合成顯著降低了其生產(chǎn)成本，基于納米晶的薄膜太陽能電池仍然是目前的研究熱點(diǎn)。相比薄膜材料，準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)由于能更有效地降低光生載流子在缺陷、界面等處的復(fù)合，提高光生載流子分離與收集效率，在納米太陽能電池性能提升方面功不可沒。加州大學(xué)伯克利分校楊培東教授通過液相陽離子置換法，制備了基于單根CdS-Cu2S核殼結(jié)構(gòu)的納米太陽能電池，并獲得了5.4%的轉(zhuǎn)化效率(Nature nanotechnology ,2011,6,568)。然而，有毒元素Cd的使用始終阻礙著該材料體系在太陽能電池領(lǐng)域市場化的步伐，人們正努力尋求可以環(huán)境友好的η型半導(dǎo)體材料，以取代CdS作為該類光伏體系的窗口層材料。
[0005]η型半導(dǎo)體材料In2S3被認(rèn)為是取代CdS的理想選擇，其本體禁帶寬度為2.0-2.2eV，與CdS接近。研究表明以In2S3為緩沖層的CIGS薄膜太陽能電池，轉(zhuǎn)化效率已達(dá)到16.4%，和傳統(tǒng)的以WS為緩沖層的薄膜太陽能電池性能相當(dāng)(Prog.Photovolt:Res.Appl.,2003,11,437)。本發(fā)明的發(fā)明人所在課題組也通過脈沖激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)了有望應(yīng)用于薄膜太陽能電池領(lǐng)域的η型In2S3薄膜的沉積(Mater.Res.Express ,2015 ,2,056401 ;發(fā)明專利申請?zhí)?ZL201410500670.X)ο
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在現(xiàn)有技術(shù)存在的基礎(chǔ)之上，本發(fā)明旨在構(gòu)建基于硫?qū)賮嗐~化合物的納米異質(zhì)結(jié)太陽能電池，在納米太陽能電池發(fā)展領(lǐng)域有著重要的意義，所要解決的技術(shù)問題是以η型半導(dǎo)體材料In2S3作為窗口層材料，使其與硫?qū)賮嗐~化合物形成異質(zhì)結(jié)。
[0007]本發(fā)明解決技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明基于硫?qū)賮嗐~化合物的納米異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其特點(diǎn)在于:是以上表面覆有絕緣層的硅基襯底為基底，在所述絕緣層上分散有硫?qū)賮嗐~化合物準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)，在所述硫?qū)賮嗐~化合物準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)的兩端各沉積有第一金屬薄膜電極和I112S3薄膜，所述硫?qū)賮嗐~化合物準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)與所述第一金屬薄膜電極呈歐姆接觸，與所述I112S3薄膜形成異質(zhì)結(jié);在所述I112S3薄膜上方沉積有第二金屬薄膜電極，所述I112S3薄膜與所述第二金屬薄膜電極呈歐姆接觸。
[0009]本發(fā)明的納米異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其特點(diǎn)也在于:所述硫?qū)賮嗐~化合物準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為Cu2-XA，其中A為硫元素或砸元素，O Sx <0.25;所述硫?qū)賮嗐~化合物準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)為納米線、納米棒、納米管或納米帶;所述硫?qū)賮嗐~化合物準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)的軸向長度不小于ΙΟμπι，徑向長度為10-1OOOnm0
[0010]所述絕緣層為Si02、Si3N4或HfO2;所述絕緣層的電阻率大于1Χ103Ω.cm、厚度為100-500nm。娃基襯底為P型娃片、η型娃片或本征娃片。
[0011]所述In2S3薄膜的厚度為200-1000nm。
[0012]所述第一金屬薄膜電極為Au電極、Ti/Au復(fù)合電極、Cr/Au復(fù)合電極或Ni/Au復(fù)合電極;所述Au電極的厚度為30-100nm;所述Ti/Au復(fù)合電極、Cr/Au復(fù)合電極、Ni/Au復(fù)合電極分別是在厚度3-10nm的11、0、附上沉積有30-10011111厚的八110
[0013]所述第二金屬薄膜電極為In電極、In/Au復(fù)合電極、Ag電極或Al電極;所述In電極、Ag電極或者Al電極的厚度為30-100nm;所述In/Au復(fù)合電極是在厚度為30-100nm的In上沉積有3-1 Onm厚的Au ο
[OOM]所述In2S3薄膜與所述第一金屬薄膜電極之間的最小距離為2-5μηι，所述第二金屬薄膜電極與所述第一金屬薄膜電極之間的距離大于8μπι。
[0015 ]上述納米異質(zhì)結(jié)太陽能電池的制備方法，包括如下步驟:
[0016](I)取上表面覆有絕緣層的硅基襯底作為基底，將硫?qū)賮嗐~化合物準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)分散在所述絕緣層上；
[0017](2)通過一次紫外曝光光刻和薄膜沉積技術(shù)，在硫?qū)賮嗐~化合物準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)的一端沉積有第一金屬薄膜電極；
[0018](3)通過二次定位紫外曝光光刻和脈沖激光沉積技術(shù)，在硫?qū)賮嗐~化合物準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)的另一端沉積I112S3薄膜；
[0019]將完成In2S3薄膜沉積的器件放入快速退火爐中，以惰性氣體沖洗爐腔，然后對器件進(jìn)行退火，退火氣氛為N2或Ar，退火氣壓為0.02-0.04MPa，退火溫度為300-350 V，退火時間為 5-30min;
[0020](4)通過三次定位紫外曝光光刻和薄膜沉積技術(shù)，在In2S3薄膜上方沉積第二金屬薄膜電極，即獲得基于硫?qū)賮嗐~化合物的納米異質(zhì)結(jié)太陽能電池。
[0021]具體的，步驟(3)通過脈沖激光沉積技術(shù)沉積In2S3薄膜時，真空室的氣壓不高于5X10—3Pa,脈沖激光器的工作參數(shù)為:激光波長248nm，脈沖寬度25ns，激光能量為174mJ，激光頻率為5Hz，鍍膜時間為15-60min;使用的靶材為高純In2S3粉末壓制而成的本征靶材。
[0022]具體的，步驟(2)第一金屬薄膜電極的沉積方式為電子束蒸發(fā)，真空室氣壓不高于6 X 10—3Pa，蒸發(fā)速率為 0.01-0.05nm/s ；
[0023]具體的，若步驟(4)中的第二金屬薄膜電極為In電極或In/Au復(fù)合電極，則:In的沉積方式為熱蒸發(fā)，真空室氣壓不高于6 X 10—3Pa，蒸發(fā)速率為0.1-0.5nm/s; Au的沉積方式為電子束蒸發(fā)，真空室氣壓不高于6 X 10—3Pa，蒸發(fā)速率為0.01-0.05nm/s;
[0024]若步驟(4)中的第二金屬薄膜電極為Ag電極或Al電極，則沉積方式為電子束蒸發(fā)，真空室氣壓不高于6 X 10—3Pa，蒸發(fā)速率為0.05-0.3nm/s。
[0025]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0026]1、本發(fā)明以液相合成的硫?qū)賮嗐~化合物準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過紫外曝光光亥|J、真空蒸發(fā)沉積等微電子工藝，構(gòu)筑了 Cu2-xA/In2S3納米異質(zhì)結(jié)太陽能電池。與此前報(bào)導(dǎo)的CuS/ITO肖特基結(jié)納米太陽能電池相比(Nanotechnology 2013,24,045402 ；中國專利:ZL201210053645.2)，p-n異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場更有利于光生載流子的分離與收集，能有效提升器件性能。
[0027]2、本發(fā)明所制備的Cu2-xA/In2S3納米異質(zhì)結(jié)太陽能電池，完全使用環(huán)境友好的無機(jī)半導(dǎo)體材料，制備過程簡單易行；
[0028]3、本發(fā)明以液相合成的準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，構(gòu)建納米異質(zhì)結(jié)太陽能電池，與傳統(tǒng)高真空蒸發(fā)技術(shù)相比，成本顯著降低；
[0029]4、本發(fā)明的器件制備通過傳統(tǒng)微電子工藝過程實(shí)現(xiàn)，與現(xiàn)行硅工藝具有良好的兼容性，易于實(shí)現(xiàn)器件在現(xiàn)有集成電路芯片上的集成；
[0030]5、本發(fā)明所制備基于硫?qū)賮嗐~化合物納米異質(zhì)結(jié)太陽能電池，首次使用了一維納米結(jié)構(gòu)和薄膜組合的結(jié)構(gòu)，可以方便的實(shí)現(xiàn)多個納米太陽能電池的串并聯(lián)。
四、【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明基于硫?qū)賮嗐~化合物的納米異質(zhì)結(jié)太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)示意圖；其中I為硅基襯底，2為絕緣層，3為硫?qū)賮嗐~化合物準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)，4為第一金屬薄膜電極，5為In2S3薄膜，6第二為金屬薄膜電極。
[0032]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中納米異質(zhì)結(jié)太陽能電池的器件SEM照片。
[0033]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中Cu2-