一種基于硫屬亞銅化合物的納米異質結太陽能電池及其制備方法
【專利說明】
一、技術領域
[0001]本發明涉及一種納米異質結太陽能電池及其制備方法，具體地說是基于硫屬亞銅化合物異質結的納米太陽能電池及其制備方法。
二、【背景技術】
[0002]自1959年第一塊基于平面硅的集成電路發明以來，平面硅工藝一直主導著集成電路產業的發展。歷經半個世紀的發展，集成電路已由包含五個電子元件的第一塊集成電路板發展到超大規模集成電路，單個電路芯片集成的元件數達幾億甚至幾十、上百億個。集成電路發展的過程實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。太陽能電池領域亦是如此。
[0003]目前，硅基太陽能電池市場份額仍高達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域，尤其是無機物薄膜太陽能電池領域不斷尋求新的突破。
[0004]硫屬亞銅化合物是一類環境友好且在地殼中含量豐富的過渡金屬硫屬化合物，由于陽離子缺陷，呈P型半導體特性，此外，其具有較高的吸收系數和優良的光電特性，因而在薄膜太陽能電池領域有著較為廣泛的應用研究。通過傳統高真空技術制備的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。隨著納米技術的發展，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展(Nano Lett.，2008，8，2551)。盡管其光電轉換效率僅1.6%，但是液相合成顯著降低了其生產成本，基于納米晶的薄膜太陽能電池仍然是目前的研究熱點。相比薄膜材料，準一維納米結構由于能更有效地降低光生載流子在缺陷、界面等處的復合，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核殼結構的納米太陽能電池，并獲得了5.4%的轉化效率(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域市場化的步伐，人們正努力尋求可以環境友好的η型半導體材料，以取代CdS作為該類光伏體系的窗口層材料。
[0005]η型半導體材料In2S3被認為是取代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，轉化效率已達到16.4%，和傳統的以WS為緩沖層的薄膜太陽能電池性能相當(Prog.Photovolt:Res.Appl.,2003,11,437)。本發明的發明人所在課題組也通過脈沖激光技術實現了有望應用于薄膜太陽能電池領域的η型In2S3薄膜的沉積(Mater.Res.Express ,2015 ,2,056401 ;發明專利申請號:ZL201410500670.X)ο
三、
【發明內容】
[0006]在現有技術存在的基礎之上，本發明旨在構建基于硫屬亞銅化合物的納米異質結太陽能電池，在納米太陽能電池發展領域有著重要的意義，所要解決的技術問題是以η型半導體材料In2S3作為窗口層材料，使其與硫屬亞銅化合物形成異質結。
[0007]本發明解決技術問題，采用如下技術方案:
[0008]本發明基于硫屬亞銅化合物的納米異質結太陽能電池，其特點在于: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屬亞銅化合物準一維納米結構，在所述硫屬亞銅化合物準一維納米結構的兩端各沉積有第一金屬薄膜電極和I112S3薄膜，所述硫屬亞銅化合物準一維納米結構與所述第一金屬薄膜電極呈歐姆接觸，與所述I112S3薄膜形成異質結;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]本發明的納米異質結太陽能電池，其特點也在于:所述硫屬亞銅化合物準一維納米結構的化學結構式為Cu2-XA，其中A為硫元素或砸元素，O Sx <0.25;所述硫屬亞銅化合物準一維納米結構為納米線、納米棒、納米管或納米帶;所述硫屬亞銅化合物準一維納米結構的軸向長度不小于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復合電極、Cr/Au復合電極或Ni/Au復合電極;所述Au電極的厚度為30-100nm;所述Ti/Au復合電極、Cr/Au復合電極、Ni/Au復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 ]上述納米異質結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，將硫屬亞銅化合物準一維納米結構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，在硫屬亞銅化合物準一維納米結構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，在硫屬亞銅化合物準一維納米結構的另一端沉積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，在In2S3薄膜上方沉積第二金屬薄膜電極，即獲得基于硫屬亞銅化合物的納米異質結太陽能電池。
[0021]具體的，步驟(3)通過脈沖激光沉積技術沉積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，真空室氣壓不高于6 X 10—3Pa，蒸發速率為 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復合電極，則:In的沉積方式為熱蒸發，真空室氣壓不高于6 X 10—3Pa，蒸發速率為0.1-0.5nm/s; Au的沉積方式為電子束蒸發，真空室氣壓不高于6 X 10—3Pa，蒸發速率為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，真空室氣壓不高于6 X 10—3Pa，蒸發速率為0.05-0.3nm/s。
[0025]與已有技術相比，本發明的有益效果體現在:
[0026]1、本發明以液相合成的硫屬亞銅化合物準一維納米結構為基礎，通過紫外曝光光亥|J、真空蒸發沉積等微電子工藝，構筑了 Cu2-xA/In2S3納米異質結太陽能電池。與此前報導的CuS/ITO肖特基結納米太陽能電池相比(Nanotechnology 2013,24,045402 ；中國專利:ZL201210053645.2)，p-n異質結內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、本發明所制備的Cu2-xA/In2S3納米異質結太陽能電池，完全使用環境友好的無機半導體材料，制備過程簡單易行；
[0028]3、本發明以液相合成的準一維納米結構為基礎，構建納米異質結太陽能電池，與傳統高真空蒸發技術相比，成本顯著降低；
[0029]4、本發明的器件制備通過傳統微電子工藝過程實現，與現行硅工藝具有良好的兼容性，易于實現器件在現有集成電路芯片上的集成；
[0030]5、本發明所制備基于硫屬亞銅化合物納米異質結太陽能電池，首次使用了一維納米結構和薄膜組合的結構，可以方便的實現多個納米太陽能電池的串并聯。
四、【附圖說明】
[0031]圖1是本發明基于硫屬亞銅化合物的納米異質結太陽能電池的器件結構示意圖；其中I為硅基襯底，2為絕緣層，3為硫屬亞銅化合物準一維納米結構，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是本發明實施例1中納米異質結太陽能電池的器件SEM照片。
[0033]圖3為本發明實施例1中Cu2-