專利名稱:一種具有表面自織構結構的氧化亞銅太陽能電池及其制備方法
技術領域:
本發明涉及薄膜太陽能電池技術領域,特別涉及一種具有表面自織構結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池,還涉及所述氧化亞銅薄膜太陽能電池的制備方法。
背景技術:
氧化亞銅是一種直接帶隙半導體材料,具有原料豐富、價格便宜、環境友好、對可見光吸收系數高、電子/載流子遷移率高、少數載流子擴散長度大等優點,在太陽能電池領域有巨大的應用前景。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、生產成本高,相對來說,電化學沉積法生產成本低、儀器簡單、適合大批量生產。另一方面,目前基于氧化亞銅薄膜的肖特基太陽能電池和異質結太陽能電池效率較低。雖然已有人報道了氧化亞銅同質結太陽能電池[Solar Energy Materials and Solar Cells 93 (2009) 153 - 157],但是較低的短路電流密度嚴重影響電池性能。
發明內容
為了解決以上氧化亞銅太陽能電池效率低、較低的短路電流密度嚴重影響氧化亞銅同質結太陽能電池性能的問題,本發明提供了一種具有表面自織構結構的、可以提供穩定的恒電流輸出且具有較高的光電轉化效率的氧化亞銅薄膜太陽能電池。本發明的另一個目的是提供所述的氧化亞銅薄膜太陽能電池的制備方法。本發明是通過以下方式實現的
一種具有表面自織構結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池,在導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,導電玻璃及P型氧化亞銅薄膜上設置有金屬電極。所述導電玻璃為FTO導電玻璃、ITO導電玻璃、ZAO導電玻璃,或者其它導電玻璃, 只要能夠用于太陽能電池中的導電玻璃都可以用在本發明的方案中,種類沒有特別限制。η型氧化亞銅的薄膜厚度為0. 1-1 μ m,ρ型氧化亞銅的薄膜厚度為0. 5-5 μ m,厚度與沉積條件有關系,但對氧化亞銅薄膜太陽能電池的電池性能影響不顯著。所述的具有表面自織構結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池的制備方法,包括以下步驟
(1)將導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溶液,醋酸銅濃度為0. 01-0. 02mol/ L,醋酸濃度為0. 04-0. 08mol/ L,調節pH值范圍在4-5之間,施加恒電壓范圍在-0. OlV到-0. IV之間,在40-60°C溫度下沉積30-60min,制備得到η型氧化亞銅
薄膜;
(2)將得到的沉積有η型氧化亞銅薄膜的導電玻璃放入電解槽,采用的電解液為硫酸銅與乳酸的混合液,硫酸銅濃度0.2-0.411101/1,乳酸濃度為3-511101/ L,調節pH值范圍在 11-12之間,沉積電壓范圍在-0. IV到-0. 3V之間,在40-60°C下沉積30-60min,得到一層表面形貌為金字塔形狀的P型氧化亞銅薄膜;(3)在導電玻璃和ρ型氧化亞銅薄膜上制備金屬電極,得到具有表面自織構結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池。所述的制備方法,優選步驟(3)中以多孔的銅金屬片為掩膜,通過直流濺射在導電玻璃和P型氧化亞銅薄膜上制備金屬電極。所述的制備方法,優選使用濃度為3-5mol/L的氫氧化鈉溶液調節PH值,也可以使用其他堿性溶液調節PH,在本發明中沒有特別要求,只要能夠實現將pH調整到所需的值就都可以使用。所述的制備方法,步驟(1)中先將導電玻璃切成IcmXkmW基片,在基片上沉積
氧化亞銅薄膜。所述的制備方法,電沉積時所用的對電極為石墨電極。所謂織構是指多晶體在其形成過程中,由于受到外界的力、熱、電、磁等各種不同條件的影響,由擇優取向生長而導致的組織結構及規則聚集排列狀態。此處所謂自織構是指在氧化亞銅薄膜在電化學沉積生長過程中自發形成規則排列的金字塔形,這區別與傳統硅太陽能電池中所采用的由后續腐蝕所得的織構結構。由于“金字塔”結構增大了光在p-n 結內部的光程,使光子可以充分被同質結吸收,由此制備的氧化亞銅同質結太陽能電池短路電流密度、開路電壓和效率明顯提高。本發明的有益效果
(1)該工藝制備的P型氧化亞銅薄膜具有表面自織構結構,表面形貌呈現“金字塔”結
構;
(2)本發明的具有表面自織構結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池,可以提供穩定的恒電流輸出,且具有較高的光電轉化效率,實現了氧化亞銅太陽能電池的快速、低成本、無污染、 大批量生產;
(3)本發明的制備工藝簡單、無污染,原材料豐富、廉價,特別適合制備大批量、低成本太陽能電池。
圖ι無表面自織構結構的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”形狀的表面自織構結構的ρ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 ρ型氧化亞銅薄膜的X射線衍射圖譜, 圖5氧化亞銅薄膜太陽能電池結構示意圖,
圖6兩種氧化亞銅太陽能電池在1. 5ΑΜ模擬太陽光譜輻照度下(lOOmW/cm2)的電流密度-電壓曲線。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明的內容作進一步詳細說明,但本發明不限于以下列舉的特定例子。實施例1
(I)n型氧化亞銅薄膜的生長將導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 0. 02mol/l,醋酸濃度為0. 08mol/L,并通過滴加濃度為5mol/L的氫氧化鈉溶液調節pH值為 4. 9,施加-0. 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1 μ m, 其X射線衍射圖譜如圖3所示,表明薄膜無明顯擇優取向生長方向;
(2)ρ型氧化亞銅薄膜的生長
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0. 4mol/L,乳酸濃度為5mol/L,并通過滴加濃度為5mol/L的氫氧化鈉溶液調節pH 值為11,沉積電壓為-0. IV,在60°C下沉積60min,得到一層具有“金字塔”形狀的表面自織構結構的P型氧化亞銅薄膜,厚度為5 μ m,制備出氧化亞銅同質p-n結;
具有“金字塔”形狀的表面自織構結構的P型氧化亞銅薄膜掃描電子顯微鏡照片如圖 2所示,同圖1中無表面自織構結構的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)擇優生長方向,與立方結構的金字塔型織構結果相符;
(3)氧化亞銅同質結薄膜太陽能電池的組裝
得到步驟(2)的氧化亞銅同質結薄膜之后,太陽能電池的組裝可以采用本領域的常用或者通用手段,只要是能夠將沉積有氧化亞銅同質結薄膜的導電玻璃制成太陽能電池就可以,沒有特殊要求,本實施例中以多孔的銅金屬片為掩膜,通過直流濺射法,在導電玻璃和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結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池,結構示意圖如圖5所示。
實施例2
(1)n型氧化亞銅薄膜的生長
將FTO透明導電玻璃切成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,再用用蒸餾水超聲清洗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0. 02mol/L,醋酸濃度為0. 04mol/L,調節pH值為4,施加-0. 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0. 1 μ m,其X射線衍射圖譜同圖3相似,表明薄膜無明顯擇優取向生長方向;
(2)ρ型氧化亞銅薄膜的生長
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0. 2mol/L,乳酸濃度為3mol/L,調節pH值為12,沉積電壓為-0. 2V,在40°C下沉積30min,得到一層具有“金字塔”形狀的表面自織構結構的ρ型氧化亞銅薄膜,厚度為 0. 5 μ m,制備出氧化亞銅同質p-n結;
具有“金字塔”形狀的表面自織構結構的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)擇優生長方向,與立方結構的金字塔型織構結果相符;
(3)氧化亞銅同質結薄膜太陽能電池的組裝
在導電玻璃和P型氧化亞銅薄膜上制備金電極,得到具有表面自織構結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池,結構示意圖如圖5所示。
實施例3
(1)n型氧化亞銅薄膜的生長
將導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0. 015mol/L,醋酸濃度為0. 06mol/L,并通過滴加濃度為3mol/L 的氫氧化鈉溶液調節PH值為4. 5,施加-0. 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0.6 μ m,其X射線衍射圖譜同圖3相似,表明薄膜無明顯擇優取向生長方向;
(2)ρ型氧化亞銅薄膜的生長
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0. 3mol/L,乳酸濃度為4mol/L,并通過滴加濃度為3mol/L的氫氧化鈉溶液調節pH 值為11. 5,沉積電壓為-0. 3V,在50°C下沉積45min,得到一層具有“金字塔”形狀的表面自織構結構的P型氧化亞銅薄膜,厚度為3 μ m,制備出氧化亞銅同質p-n結;
具有“金字塔”形狀的表面自織構結構的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) 擇優生長方向,與立方結構的金字塔型織構結果相符;
(3)氧化亞銅同質結薄膜太陽能電池的組裝
以多孔的銅金屬片為掩膜,通過直流濺射法,在導電玻璃和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結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池,結構示意圖如圖5所示。以上電解時使用的對電極可以為電化學中一般使用的電極,比方說石墨電極等。太陽能電池性能測試
采用實施例1制備得到的具有表面自織構結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池進行測試, 無表面自織構結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池作為對比。此測試是在標準測試條件下進行的,所述標準條件為測試溫度25士2°C,光源的光譜輻照度lOOmW/cm2,并具有標準的 AMI. 5太陽光譜輻照度分布。測試結果為在光照下可作為電池持續輸出電流,采用具有表面自織構結構技術制備的氧化亞銅同質結太陽能電池輸出電流更高,光電轉化效率也更高,因而性能更好。具體參數見表1。 表1兩種電池性能參數測試結果
權利要求
1.一種具有表面自織構結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池,其特征在于在導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,導電玻璃及P型氧化亞銅薄膜上設置有金屬電極。
2.根據權利要求1所述的氧化亞銅薄膜太陽能電池,其特征在于所述導電玻璃為FTO 導電玻璃、ITO導電玻璃或ZAO導電玻璃。
3.根據權利要求1所述的氧化亞銅薄膜太陽能電池,其特征在于η型氧化亞銅的薄膜厚度為0. 1-1 μπι,ρ型氧化亞銅的薄膜厚度為0. 5-5 μ m。
4.一種權利要求1-3中任一項所述的具有表面自織構結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池的制備方法,其特征是包括以下步驟(1)將導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溶液,醋酸銅濃度為0. 01-0. 02mol/L,醋酸濃度為0. 04-0. 08mol/L,調節pH值范圍在4-5之間,施加恒電壓范圍在-0. OlV到-0. IV之間,在40-60°C溫度下沉積30-60min,制備得到η型氧化亞銅薄膜;(2)將得到的沉積有η型氧化亞銅薄膜的導電玻璃放入電解槽,采用的電解液為硫酸銅與乳酸的混合液,硫酸銅濃度0. 2-0. 4mol/L,乳酸濃度為3-5mol/L,調節pH值范圍在 11-12之間,沉積電壓范圍在-0. IV到-0. 3V之間,在40-60°C下沉積30-60min,得到一層表面形貌為金字塔形狀的P型氧化亞銅薄膜;(3)在導電玻璃和ρ型氧化亞銅薄膜上制備金屬電極,得到具有表面自織構結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池。
5.根據權利要求4所述的制備方法,其特征在于步驟(3)中以多孔的銅金屬片為掩膜, 通過直流濺射在導電玻璃和P型氧化亞銅薄膜上制備金屬電極。
6.根據權利要求4所述的制備方法,其特征在于使用濃度為3-5mol/L的氫氧化鈉溶液調節PH值。
7.根據權利要求4所述的制備方法,其特征在于步驟(1)中先將導電玻璃切成 IcmX4cm的基片,在基片上沉積氧化亞銅薄膜。
8.根據權利要求4所述的制備方法,其特征在于電沉積時所用的對電極為石墨電極。
全文摘要
本發明涉及薄膜太陽能電池技術領域一種具有表面自織構結構的氧化亞銅薄膜太陽能電池,在導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,導電玻璃及p型氧化亞銅薄膜上有電極。制備方法電解液pH值為4-5,電壓為-0.01V到-0.1V時,將n型氧化亞銅薄膜沉積到導電玻璃上;在電解液pH值為11-12,電壓為-0.1V到-0.3V時,將p型氧化亞銅薄膜沉積到n型氧化亞銅薄膜上;在導電玻璃和p型氧化亞銅薄膜上制備電極。本發明的太陽能電池可以提供穩定的恒電流輸出,具有較高的光電轉化效率,實現了氧化亞銅太陽能電池的快速低成本無污染大批量生產。
文檔編號H01L31/18GK102376783SQ20111039310
公開日2012年3月14日 申請日期2011年12月2日 優先權日2011年12月2日
發明者劉暢, 曹丙強, 胡夕倫 申請人:劉暢