一種以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池及其制備方法。以p型重摻雜石墨烯作為襯底，通過離子束濺射法在p型重摻雜石墨烯上制備p型銅銦硒薄膜，通過蒸發法在p型銅銦硒薄膜表面沉積n型硫化鎘薄膜，采用化學氣相沉積法在n型硫化鎘薄膜表面制備本征石墨烯過渡層，再在本征石墨烯過渡層上通過等離子增強化學氣相沉積法依次制備p型與n型納米晶硅薄膜，接著在n型納米晶硅薄膜上通過化學氣相沉積法制備n型重摻雜石墨烯薄膜，最后在n型重摻雜石墨烯薄膜表面以及p型重摻雜石墨烯襯底表面通過蒸發法制備金屬電極。本發明的優點在于制作工藝簡單，成本低廉，不僅擴展了傳統銅銦硒薄膜太陽電池的光波吸收范圍，而且充分發揮了石墨烯高導電性，高透光率以及良好的光照熱穩定性的優勢，提高了太陽電池的轉換效率和使用壽命。
【專利說明】—種以石墨烯作為導電材料的銅銦砸納米晶硅薄膜太陽電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]一種以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]目前典型的銅銦硒(CuInSe2)單結薄膜太陽電池是以玻璃或氧化鋁作為襯底，以鑰(Mo)薄膜作為導電層，以厚度約為2μπι的η型硫化鎘(CdS)薄膜作為窗口層，和P型銅銦硒(CuInSe2)薄膜材料組成。該電池結構轉換效率高、制造成本低、性能穩定，但也有缺點與不足。首先CuInSe2薄膜的禁帶寬度為1.04eV，距離太陽電池材料的最佳禁帶寬度
1.45eV相差較大，影響其光電轉化效率的進一步提高。其次，目前應用于銅銦硒(CuInSe2)薄膜太陽電池的導電材料主要為鑰(Mo)薄膜與摻氟二氧化錫薄膜(FTO)或摻銦二氧化錫薄膜(ΙΤ0)。但是金屬鑰(Mo)儲量有限，成本較高。摻銦二氧化錫薄膜(ITO)里的金屬離子容易自發擴散，削弱其導電能力，而摻氟二氧化錫薄膜(FTO)對紅外光譜有較強的吸收性以及較差的熱穩定性。上述缺點制約了傳統的銅銦硒(CuInSe2)薄膜太陽電池的發展，人們急需一種更好的銅銦硒(CuInSe2)薄膜太陽電池以推動太陽電池的發展。
[0003]目前制備CuInSe2薄膜的常規方法有真空蒸發法，電沉積法和濺射合金層硒化法。無論采用以上三種方法中的任何一種方法，在電池的制備過程中都需要多次進出真空室，而不能在不破壞真空的條件下一次完成銅銦硒(CuInSe2)薄膜電池器件的制備。例如，銅銦合金層需要進行硒化處理，硫化鎘(CdS)薄膜需采用化學水浴法制備等。由此導致了該薄膜太陽電池制備工藝繁瑣，生產成本較高，嚴重制約了銅銦硒(CuInSe2)薄膜太陽電池向具有復雜結構，高光電轉化效率的多結薄膜太陽電池方向的發展。因此，如何使銅銦硒(CuInSe2)薄膜電池器件的制備工藝簡單化,為開發低成本新式結構的銅銦硒(CuInSe2)薄膜太陽電池開辟道路成為了當下該薄膜太陽電池發展的當務之急。
【發明內容】
[0004]為了消除上述不足或缺陷，本發明改進了銅銦硒(CuInSe2)薄膜電池器件的制備工藝，從而提供了一種新式銅銦硒(CuInSe2)雙結薄膜太陽電池結構及其制備方法。采用雙結薄膜電池結構，擴展銅銦硒(CuInSe2)太陽電池光譜吸收范圍。采用石墨烯作為導電材料，發揮其高導電性，高透光率，良好的光照熱穩定性等優勢。利用離子束濺射技藝制備銅銦硒(CuInSe2)薄膜，使得制備過程中真空室不被破壞，簡化電池制作工藝。
[0005]為了達到上述目的，本發明技術方案是這樣實現的:
一種以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池，其結構從上至下依次為:金屬正面電極、η型重摻雜石墨烯薄膜、η型納米晶硅薄膜、P型納米晶硅薄膜、本征石墨烯過渡層、η型硫化鎘薄膜、P型銅銦硒薄膜、P型重摻雜石墨烯襯底、金屬背面電極。該結構的優點是:所述η型納米晶硅薄膜，P型納米晶硅薄膜形成第一結電池，其禁帶寬度控制在1.4-1.7eV。所述η型硫化鎘薄膜，ρ型銅銦硒薄膜形成第二結電池，其禁帶寬度控制在1.0-1.2eV。不同禁帶寬度的材料相結合，幾乎可以吸收所有波段的太陽光。正面的η型重摻雜石墨烯薄膜與背面的P型重摻雜石墨烯襯底作為太陽電池的導電膜，中間的本征石墨烯過渡層起到串聯兩結電池和鈍化的作用。以石墨烯作為太陽電池的導電材料，可以充分發揮石墨烯低成本，高導電性，高透光率以及良好的光照熱穩定性的優勢，使得制備的太陽電池性能更加穩定，光電轉換效率進一步提高。
[0006]本發明技術方案所提供的一種以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池的制備方法包括如下步驟:
將P型重摻雜石墨烯襯底采用超聲波化學清洗，放入超高真空雙離子束濺射儀中備用，采用不同面積的三個高純銅/銦/硒靶材復合成為濺射靶在襯底上沉積P型銅銦硒薄膜，沉積時的本底真空為2.0X 10_4-6.0X 1-4Pa，工作真空為4.0X 10_4_4.0 X W2Pa,襯底溫度200 °C -300 °C，沉積時間50-90分鐘，厚度I一2 μ m ;然后將襯底溫度控制在100C _160°C，在ρ型銅銦硒薄膜上蒸鍍純度為80% -98%含有氯化鎘雜質的硫化鎘粉末，蒸鍍時間控制在10-20分鐘，厚度為50-200nm ;接著將樣品加熱到200°C _450°C，在常壓氬氣和氫氣氣氛中通入甲烷，在η型硫化鎘薄膜上，通過化學氣相沉積法沉積厚度為10nm-30nm的多原子層本征石墨烯過渡層；下一步控制樣品溫度在200°C _300°C，在本底真空小于等于lX10_3Pa的條件下，分別以混有1% -5%體積分數硼烷和混有1% -5%體積分數磷烷的高氫稀釋硅烷作為載氣，采用等離子增強化學氣相沉積法在本征石墨烯過渡層表面依次制備P型與η型納米晶硅薄膜，厚度均不超過10nm ;接下來將樣品加熱到5500C -600°C，通過化學氣相沉積法在氬氣和氫氣氣氛中通入甲烷制備厚度為10nm-30nm的多原子層石墨烯，并采用氨氣分子吸附，獲得η型重摻雜石墨烯薄膜；最后分別在η型重摻雜石墨烯薄膜表面以及P型重摻雜石墨烯襯底表面通過蒸發法制備10nm-20nm金屬鈦以及30nm-50nm金屬金作為電極，便獲得了以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池。本制備方法采用離子束濺射三元復合靶，省略硒化工藝的方式制備銅銦硒(CuInSe2)薄膜以及采用蒸發法制備η型硫化鎘(CdS)薄膜，可在真空室內不破壞真空的條件下完成銅銦硒(CuInSe2)薄膜電池器件的制備。隨后采用化學氣相沉積法，等離子增強化學氣相沉積法，蒸發法分別完成對石墨烯導電膜，納米晶硅薄膜，金屬電極的制備。使得該雙結薄膜太陽電池的制備可以一次性完成，簡化了制作工藝，消減了制作成本，為一種雙結銅銦硒(CuInSe2)薄膜太陽電池的應用提供了可能。
[0007]【專利附圖】
【附圖說明】:
附圖是本發明提供的一種以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池的層結構示意圖。
[0008]附圖標號說明:
1-是金屬正面電極；
2—是η型重摻雜石墨烯薄膜；
3-是η型納米晶娃薄膜；
4—是ρ型納米晶硅薄膜；
5——是本征石墨烯過渡層；
6-是η型硫化鎘(CdS)薄膜；
7——是ρ型銅銦硒(CuInSe2)薄膜； 8 是ρ型重慘雜石墨稀襯底；
9——是金屬背面電極。
【具體實施方式】
[0009]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但本
【發明內容】
不僅限于實施例中涉及的內容。
[0010]本發明按附圖所示結構，它包括從上至下依次分布的金屬正面電極1、η型重摻雜石墨烯薄膜2、η型納米晶硅薄膜3、ρ型納米晶硅薄膜4、本征石墨烯過渡層5、η型硫化鎘(CdS)薄膜6、ρ型銅銦硒(CuInSe2)薄膜7、ρ型重摻雜石墨烯襯底8、金屬背面電極9。
[0011]實施例1:一種以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池的制備方法，按照以下步驟操作:
本實施例首先將P型重摻雜石墨烯襯底采用超聲波化學清洗，放入超高真空雙離子束濺射儀中備用，采用不同面積的三個高純銅(Cu) /銦(In) /硒(Se)靶材復合成為濺射靶在襯底上沉積P型CuInSe2薄膜，沉積時的本底真空為4.5 X 1^4Pa，工作真空為4.0X W2Pa,襯底溫度200°C，沉積時間90分鐘。然后將襯底溫度控制在150°C，在ρ型CuInSe2薄膜上蒸鍍純度約為85.0 %含有氯化鎘(CdCl2)雜質的CdS粉末，蒸鍍時間20分鐘。接著將樣品加熱到450°C，在η型CdS薄膜上，常壓氬氣(Ar)和氫氣(H2)氣氛中通入甲烷(CH4),沉積厚度15nm的多原子層石墨烯。下一步控制樣品溫度在300°C，在本底真空小于等于I X 1-3Pa的條件下，分別以混有5%體積分數硼烷(B2H6)和混有2.5%體積分數磷烷(PH3)的高氫稀釋硅烷(SiH4)作為載氣，在本征石墨烯過渡層表面制備出ρ型與η型納米晶硅薄膜，其禁帶寬度約為1.65eV。接下來將樣品加熱到550°C，在氬氣和氫氣氣氛中通入甲烷制備出厚度約30nm的多原子層石墨烯，并采用氨氣(NH3)分子吸附，獲得重摻雜η型石墨烯。最后分別在η型重摻雜石墨烯薄膜表面以及ρ型重摻雜石墨烯襯底表面通過蒸發法制備15nm金屬鈦(Ti)以及50nm金屬金(Au)作為電極，便獲得了以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶娃薄膜太陽電池。
[0012]實施例二:
本實施例制作一種以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池，與實施例一相似，不同點是所述本征石墨烯過渡層的制備采用銅作為生長基底，將基底溫度控制在450°C，在常壓氬氣(Ar)和氫氣(H2)氣氛中通入甲烷(CH4),生長出厚度約15nm的多原子層石墨烯。再采用石墨烯薄膜轉移技術將本征石墨烯薄膜轉移至η型CdS薄膜上。
[0013]實施例三:
本實施例制作一種以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池，與實施例一相似，不同點是所述η型重摻雜石墨烯薄膜的制備采用銅作為生長基底，先將基底溫度控制在在500°C，在氬氣和氫氣氣氛中通入甲烷制備出厚度約30nm的多原子層石墨烯，再采用氨氣(NH3)分子吸附，獲得重摻雜η型石墨烯薄膜。最后采用石墨烯薄膜轉移技術將η型重摻雜石墨烯薄膜轉移至η型納米晶硅薄膜上。
[0014]實施例四:
本實施例制作一種以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池，與實施例一相似，不同點是所述金屬正面電極與金屬背面電極采用印刷法制備。在η型重摻雜石墨烯表面印刷銀(Ag)及鋁(Al)漿料并烘干，在ρ型重摻雜石墨烯襯底表面印刷Ag漿料并烘干，然后放入帶式燒結爐燒結，燒結溫度為850°C，時間3分鐘，正面與背面金屬電極便制作完成。
【權利要求】
1.一種以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池，其特征在于，所述太陽電池結構從上至下依次為:金屬正面電極、η型重摻雜石墨烯薄膜、η型納米晶硅薄膜、P型納米晶硅薄膜、本征石墨烯過渡層、η型硫化鎘薄膜、P型銅銦硒薄膜、P型重摻雜石墨烯襯底、金屬背面電極。
2.根據權利要求1所述的以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池，其特征在于，所述η型納米晶硅薄膜和P型納米晶硅薄膜形成第一結電池，其禁帶寬度控制在1.4-1.7eV0
3.根據權利要求1所述的以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池，其特征在于，所述η型硫化鎘薄膜和P型銅銦硒薄膜形成第二結電池，其禁帶寬度控制在1.0-1.2eV0
4.一種如權利要求1所述的以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于，將P型重摻雜石墨烯襯底采用超聲波化學清洗，放入超高真空雙離子束濺射儀中備用，采用不同面積的三個高純銅/銦/硒靶材復合成為濺射靶在襯底上沉積P型銅銦硒薄膜，沉積時的本底真空為2.0X10_4-6.0X10_4Pa，工作真空為4.0X10_4-4.0 X I(T2Pa，襯底溫度 200°C _300°C，沉積時間 50-90 分鐘，厚度為 1_2μπι;然后將襯底溫度控制在100°C -160°C，在P型銅銦硒薄膜上蒸鍍純度為80% -98%含有氯化鎘雜質的硫化鎘粉末，蒸鍍時間控制在10-20分鐘，厚度為50-200nm ;接著將樣品加熱到200°C _450°C，在常壓氬氣和氫氣氣氛中通入甲烷，在η型硫化鎘薄膜上，通過化學氣相沉積法沉積厚度為10nm-30nm的多原子層本征石墨烯過渡層；下一步控制樣品溫度在2000C -300°C，在本底真空小于等于lX10_3Pa的條件下，分別以混有I % _5%體積分數硼烷和混有1% -5%體積分數磷烷的高氫稀釋硅烷作為載氣，采用等離子增強化學氣相沉積法在本征石墨烯過渡層表面依次制備P型與η型納米晶娃薄膜,厚度均不超過10nm ;接下來將樣品加熱到550°C -600°C，通過化學氣相沉積法在氬氣和氫氣氣氛中通入甲烷制備厚度為10nm-30nm的多原子層石墨烯，并采用氨氣分子吸附，獲得η型重摻雜石墨烯薄膜；最后分別在η型重摻雜石墨烯薄膜表面以及P型重摻雜石墨烯襯底表面通過蒸發法制備10nm-20nm金屬鈦以及30nm-50nm金屬金作為電極,便獲得了以石墨烯作為導電材料的銅銦硒納米晶硅薄膜太陽電池。
【文檔編號】B82Y40/00GK104332515SQ201410609550
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月4日 優先權日:2014年11月4日
【發明者】羅云榮, 李春龍, 伍德亮, 陳冬妮 申請人:湖南師范大學