一种硒化锑薄膜太阳电池及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于光伏新能源材料与器件领域，涉及一种硒化锑薄膜太阳电池及其制备方法与应用，特别涉及一种高活性硒气氛下制备硒化锑薄膜，调控硒化锑薄膜的化学组分与缺陷，进而提高硒化锑薄膜太阳电池器件性能的方法。

背景技术

能源是现代社会发展的基础和动力，而化石能源依旧是当今世界主要的能源来源，随着化石能源的过度使用，人类所面临的环境问题也在日益凸显。因此，探索和发展新型高效的清洁能源是解决能源和环境问题的关键。在众多清洁能源中，太阳能吸引了众多科研人员的目光，因为它具有巨大的存储总量以及简单的收集方式，其中太阳电池是一种能将光转换成电能的器件。在众多的太阳电池中，薄膜太阳电池由于具有转换效率高、柔性、质轻、材料用量小、环境适应能力强等优点，逐渐变成太阳电池家族举足轻重的成员，例如铜铟镓硒(CIGS)和碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池被广泛研究。但是Cd的毒性和In与Ga高的标价无法满足今后日益严格的环保要求和高速增长的能源需求。

为此，由无毒、地球上充足的元素组成的简单二元化合物--硒化锑(Sb

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种硒化锑薄膜太阳电池。

本发明的另一目的在于提供上述一种硒化锑薄膜太阳电池的制备方法。

本发明提出一种引入高活性Se气氛来实现Sb

本发明的再一目的在于提供上述一种硒化锑薄膜太阳电池的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种硒化锑薄膜太阳电池，其结构自下而上依次为：透明导电玻璃衬底、高阻层、n型电子传输层、p型吸收层和背电极；

其中，所述p型吸收层为硒化锑薄膜，所述硒化锑薄膜由Sb

优选的，所述沉积过程中，Se蒸气气体流量为1～20sccm。

优选的，所述硒化锑薄膜的厚度为300～1000nm；所述沉积过程中衬底的温度为200～370℃。

优选的，所述硒化锑薄膜的制备方法为热蒸发法、磁控溅射法、化学气相沉积法、近空间升华法、快速热蒸发和载气输运法中的至少一种。

优选的，所述硒化锑薄膜在制备过程中所需的Se蒸气(补硒工艺)由一个与沉积设备连接的独立附件设备实现，该独立附件设备包括源容器管路系统、加热控制系统和流量控制系统，其中源容器中盛放Se颗粒，管路连接源容器至环绕沉积设备的衬底，环绕衬底部分的管道沿内侧密集开孔，以保证在衬底周围形成均匀的富Se气氛环境；加热控制系统包括源容器加热系统和管道加热系统，源容器加热系统用于加热Se源形成Se蒸气，管道加热系统用于维持和调节Se蒸气温度，控制Se活性并避免Se在低温管壁的积聚；流量控制系统通过角阀手动控制或气体流量计控制气体流量。

更优选的，所述源容器管路的材质为石英或不锈钢；所述源容器加热系统和管道加热系统通过环绕源容器和管道的电阻丝进行加热，并通过控制电流大小实现温度控制。

优选的，所述透明导电玻璃衬底为透明导电氧化物层，更优选为FTO(SnO

优选的，所述高阻层为高阻透明氧化物层，更优选为SnO

优选的，所述n型电子传输层为n型半导体薄膜，更优选为CdS(硫化镉)、CdS:O(掺氧硫化镉)、TiO

优选的，所述背电极为高功函的金属电极，更优选为金和镍中的至少一种；所述背电极的厚度为50～500nm。

上述一种硒化锑薄膜太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)在透明导电玻璃衬底上制备高阻层，得到透明导电玻璃衬底/高阻层；

(2)在高阻层上制备n型电子传输层，得到透明导电玻璃衬底/高阻层/n型电子传输层；

(3)在200～300℃的Se蒸气氛围下，将Sb

(4)最后在p型Sb

优选的，步骤(1)所述透明导电玻璃衬底的温度为100～300℃。

优选的，步骤(2)所述电子传输层采用化学水浴法和CdCl

优选的，步骤(3)所述p型Sb

上述一种硒化锑薄膜太阳电池的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

传统工艺很难实现在生长过程中有效地补Se，实现富Se环境下Sb

附图说明

图1为本发明实施例在高活性硒气氛下制备硒化锑薄膜作为p型吸收层的硒化锑太阳电池的器件结构示意图。

图2为本发明实施例1和对比例1中硒化锑太阳电池的J-V曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明实施例所述硒化锑吸收层补硒工艺是通过一个与沉积设备连接的独立附件设备实现，该附件设备具有以下特征：(1)设备附件包括源容器管路系统、加热控制系统和流量控制系统；(2)源容器管路材质为石英或不锈钢，源容器中盛放Se颗粒，管路连接源容器至环绕沉积设备的衬底，环绕衬底部分的管道沿内侧密集开孔，保证在衬底周围形成均匀的富Se环境；(3)加热控制系统分别包括源容器加热系统和管道加热系统，加热通过环绕源容器和管道的电阻丝进行，通过控制电流大小实现温度控制，其中，源容器加热系统用于加热Se源形成Se蒸气，管道加热系统用于维持和调节Se蒸气温度，控制Se活性并避免在低温管壁的积聚；(4)流量控制系统通过角阀手动控制或通过气体流量计控制气体流量；(5)高活性的Se气氛通过提高Se蒸气温度实现。

实施例1

本实施例子提供了一种高活性硒气氛下制备硒化锑薄膜太阳电池的方法，该方法包括如下步骤：

1)对FTO导电玻璃进行清洗；

将FTO导电玻璃(FTO导电层的厚度约300nm)放置在烧杯中，先后经过3mL洗涤剂/3L去离子水的比例配好的清洗溶剂、去离子水、丙酮和酒精超声清洗，之后用氮气吹干。

2)沉积SnO

采用射频磁控溅射法在FTO导电玻璃衬底上制备SnO

3)沉积n型CdS电子传输层：

采用化学水浴法制备CdS电子传输层。第一步清洗反应过程需要用到的容器，将其依次进行酒精、去离子水10min超声清洗，接着放入烘烤箱中进行烘干。第二步配制反应溶液，在烧杯中先后加入940mL的蒸馏水、20mL乙酸镉、20mL乙酸铵、20mL硫脲，再滴入络合剂氨水。将步骤2)得到的包含SnO

4)对CdS薄膜进行CdCl

将制备好的FTO/SnO

5)沉积Sb

采用一个附加独立附件的近空间升华集成设备沉积Sb

6)蒸镀电极：

采用真空热蒸发设备在Sb

实施例2

本实施例提供了一种高活性硒气氛下制备硒化锑薄膜太阳电池的方法，该方法包括如下步骤：

1)对FTO导电玻璃进行清洗；

将FTO导电玻璃(FTO导电层的厚度约300nm)放置在烧杯中，先后经过3mL洗涤剂/3L去离子水的比例配好的清洗溶剂、去离子水、丙酮和酒精超声清洗，之后用氮气吹干。

2)沉积SnO

采用射频磁控溅射法在FTO导电玻璃衬底上制备SnO

3)沉积n型CdS电子传输层：

采用化学水浴法制备CdS电子传输层。第一步清洗反应过程需要用到的容器，将其依次进行酒精、去离子水10min超声清洗，接着放入烘烤箱中进行烘干。第二步配制反应溶液，在烧杯中先后加入940mL的蒸馏水、20mL乙酸镉、20mL乙酸铵、20mL硫脲，再滴入络合剂氨水。将步骤2)得到的包含SnO

4)对CdS薄膜进行CdCl

将制备好的FTO/SnO

5)沉积Sb

采用一个附加独立附件的热蒸发集成设备沉积Sb

6)蒸镀电极：

采用热蒸发设备在Sb

实施例3

将实施例1步骤(5)中的条件“Se蒸气温度为200℃”改成“Se蒸气温度为250℃”其他条件与实施例1相同，最终制得硒化锑薄膜太阳电池。

对比例1

将实施例1步骤(5)中的条件“Se蒸气流量为4sccm”改成“Se蒸气流量为0sccm”，即不通入Se蒸气，其他条件与实施例1相同，最终制得硒化锑薄膜太阳电池。

针对实施例1(包含Se气氛)和对比例1(未包含Se气氛)的两种硒化锑薄膜太阳电池，在AM(Air mass)1.5、100mW/cm

由以上结果得到在高活性硒气氛下制备硒化锑薄膜，调控了薄膜化学组分，降低了薄膜中硒空位及缺陷密度，改善了薄膜电学性质，进而提高硒化锑太阳电池器件性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。