一种光伏电池及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于铜基光吸收材料光伏器件及一种和光吸收材料电学匹配且能与光吸收材料形成p‑n结的材料。该器件还包含一种放置在上述材料和光吸收材料中间的中间层材料。中间层可以减少少数载流子在光吸收材料/缓冲层界面的复合速率或优化能带排列，亦或者是以上两种情况同时作用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种光伏电池及其制造方法
本专利技术是关于一种光伏电池和制造该光伏电池的方法，如基于铜基光吸收材料的电池。技术背景一些铜基合金化合物因其具有合适的特性可用于薄膜太阳能电池中的光吸收材料。铜基硫族化物，如铜锌锡硫具有可以匹配太阳光谱的直接能带带隙。铜锌锡硫是一种四元化合物，含铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)、硫(S)或者硒(Se)。铜锌锡硫的化学式为Cu2ZnSn(S,Se)4。根据硫属元素的不同，铜锌锡硫的缩写也不同，如硫属元素为硫，缩写为CZTS、硒为CZTSe、硫硒为CZT(S,Se)。这三种缩写都是指铜锌锡硫。铜锌锡硫吸收层具有可调节的能带间隙(从约1.0eV到约1.5eV)，这个特性使得该材料具有非常高的光吸收系数。以上所述特性均适用于薄膜光伏电池吸收层。而且，铜锌锡硫在地壳中大量存在。当前铜锌锡硫光伏电池沉积在镀钼(Mo)的钠钙玻璃基底上，钼层作为背接触电极。通常情况下，铜锌锡硫光吸收材料是通过将含有预制层元素(铜、锌、锡、硫)的材料退火制成。N型硫化镉材料沉积在光吸收层，并形成p-n结。在硫化镉之上的是氧化锌和金属电极。尽管铜锌锡硫薄膜太阳能电池具有超过其他薄膜太阳能电池的潜力，但是目前其效率仍低于市场上光伏电池的平均效率。铜锌锡硫太阳能电池光电转换效率的世界纪录分别为8％(纯硫化)，9％(纯硒化)和12.7％(硫硒化)。而相较于铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2(CIGSe))的21。7％的转换效率，仍有差距。造成铜锌锡硫太阳能电池效率低下的其中一个原因是光生载流子在铜锌锡硫和硫化镉界面的复合。在界面区域存在大量的复合点，这主要是因为两种材料的晶格不匹配和杂质的分离。这降低了开路电压和填充因子并影响了电池的效率。造成电池效率低下的另一个原因是铜锌锡硫电池的电子带组态。基于铜锌锡硫光伏电池的性质，若想提高光电转换效率，需降低铜锌锡硫/硫化镉界面的复合和改善电子带组态。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术提供了一种光伏设备包括以下特征:铜基光吸收材料；一种电学性质适用于光吸收材料并且可以和光吸收材料形成p-n结的第一材料；一种中间层材料位于第一材料和光吸收材料之间。中间层材料用于减少少子载流子位于第一材料和光吸收材料界面的复合速率。在一个实施方案中，在电池制造过程中，部分中间层材料扩散进入第一材料。中间层材料含有铟或硫化铟。在一个实施方案中，中间层材料在形成中间层时，形成连续蔟状。中间层厚度在5到100纳米之间，优选为20至60纳米。在一个实施方案中，中间层材料在光吸收材料和第一材料界面处形成大量团簇结构，将部分光吸收材料和第一材料分隔。在另一个实施方案中，中间层材料吸收至少部分入射光子并转换成电流。在另一个实施方案中，光伏电池的外量子效率在波长范围350纳米至450纳米之间高于70％。第二部分，本专利技术提供一种光伏电池包含：铜基光吸收材料；一种电学性质与光吸收材料相匹配并且可以和光吸收材料形成p-n结的第一材料；第一材料在其与光吸收材料界面处含有含铟化合物。光吸收材料和该种材料导带能带间距小于等于0.24eV。光吸收材料的导带底高于第一材料。在第三部分，本专利技术提供一种光伏电池包含：铜基光吸收材料；一种电学性质与光吸收材料第一表面部分匹配并且可以和光吸收材料形成p-n结的第一材料；一种中间层材料置于在第一材料的第二表面和光吸收层第二表面之间。在一个实施方案中，中间层材料用于减少载流子在第一材料的第二表面和光吸收层第二表面之间的移动。在另一个实施方案中，中间层材料用于减少位于第一材料和光吸收材料界面间载流子复合中心的数量。中间层材料的晶体结构和光吸收层材料的晶体结构应匹配。另外，中间层材料的晶格常数与光吸收层晶格常数应一致。中间层材料的备选方案包括如下几种材料；硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硒化锌(ZnSe)、非晶硅以及三氧化二铝(Al2O3)。另外，大量颗粒状中间层材料或分布在光吸收材料的部分第二表面。这些颗粒侧向延伸范围小于光吸收材料少子的扩散长度，且小于第一材料少子的扩散长度。这些颗粒具有半球形形状。在另一个实施方案中，光伏电池还包含了第二材料，其位于背电极和铜基光吸收材料之间的材料。第二材料含有金属材料，用于减少背电极与光吸收材料之间硫化物或硒化物的形成。这种金属材料包括银，金及金银合金。铜基光吸收材料包括铜锌锡硫、铜锌锡硒或铜锌锗锡硫属化合物。第一材料包括硫化镉。在第四部分，本专利技术提供了一种制备光伏电池的方法，包含以下步骤：沉积导电材料；在导电材料上沉积铜基光吸收材料；在光吸收材料上沉积中间层；沉积与光吸收材料电学匹配的第一材料并形成p-n结；中间层材料用于减少少数载流子在光吸收材料和第一材料间的复合速率。在一个实施方案中，这种方法包括以下几步：将中间材料和第一材料一起退火，使得部分中间材料扩散进入第一材料。在第五方面，本专利技术提供了一种制备光伏电池的方法，包含以下步骤：沉积导电材料；在导电材料上沉积铜基光吸收材料；沉积与光吸收材料电学匹配，且含有铟化合物的第一材料并形成p-n结；在一个实施方案中，沉积第一材料的步骤如下：在光吸收材料上沉积含铟中间层材料；在含铟中间层上沉积含镉材料；将中间层材料和含镉材料退火形成第一层材料。在第六部分，本专利技术提供了一种制备光伏电池的方法，包含以下步骤：沉积导电材料；在导电材料上沉积铜基光吸收材料；在光吸收材料上沉积非连续岛状中间层材料；沉积与光吸收材料电学性质相匹配的第一材料并形成p-n结；中间层材料用于减少载流子在第一材料的第二表面和光吸收层第二表面之间的移动。另外，中间层材料用于减少位于第一材料和光吸收材料界面间载流子复合中心的数量。中间层材料的备选方案包括如下几种材料；硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硒化锌(ZnSe)、非晶硅以及三氧化二铝(Al2O3)。在一个实施方案中，形成中间层材料的步骤包括将大量的颗粒分布在光吸收材料的第二表面。这些颗粒侧向延伸范围小于光吸收材料少数载流子的扩散长度，且小于第一材料少数载流子的扩散长度。形成非连续孤岛状中间层材料的方法还包括将背电极材料，光吸收材料和中间层材料形成的结构退火。退火温度应在300℃到600℃之间。还包括了以下步骤：提供衬底；沉积背电极层；在背电极层上沉积另一种含金属的导电材料。在一个实施方案中，这个方法还包括以下后续步骤：在背电极层沉积金属材料；将衬底/背电极层/金属导电材料进行退火。在第七部分，本专利技术提供了一种控制铜锌锡硫/硫化镉导带偏移方法，本方法包括以下步骤：在铜锌锡硫层上沉积含硫、铟元素的中间层之后再沉积硫化镉层；将沉积好的中间层和硫化镉层退火处理，是硫化镉和中间层的铟、硫元素反应。在一个实施方案中，中间层厚度取决于预设的铜锌锡硫/硫化镉导带偏移量。在另一个实施方案中，退火温度取决于预设的铜锌锡硫/硫化镉导带偏移量。在另一个实施方案中，退火时间亦取决于预设的铜锌锡硫/硫化镉导带偏移量。本专利技术所提供的实施方案能通过引入中间层降低光生载流子在光吸收材料/硫化镉界面的复合，其原理是改善光吸收材料和硫化镉的能带匹配，或者是降低电池中载流子复合数量，亦或者是以上两者的共同作用。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1、2示出了光伏器件剖面结构示意图和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光伏电池，其特征在于,包括:铜基光吸收材料；第一材料，其电学性质适合用于光吸收材料并且可以和光吸收材料形成p‑n结；一种中间层材料位于第一材料和光吸收材料之间。中间层材料用于减少少子载流子位于第一材料和光吸收材料界面的复合速率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.14 AU 20149004631.一种光伏电池，其特征在于,包括:铜基光吸收材料；第一材料，其电学性质适合用于光吸收材料并且可以和光吸收材料形成p-n结；一种中间层材料位于第一材料和光吸收材料之间。中间层材料用于减少少子载流子位于第一材料和光吸收材料界面的复合速率。2.根据权利要求1所述的光伏电池，其特征在于,所述中间层在制造电池过程中会扩散进入第一材料。3.根据权利要求1或2所述的光伏电池，其特征在于,所述中间层材料含有铟。4.根据权利要求3所述的光伏电池，其特征在于,所述中间层材料含有硫化铟。5.根据权利要求1-4任一项所述的光伏电池，其特征在于,所述中间层形成连续分布的团簇结构。6.根据权利要求5所述的光伏电池，其特征在于,中间层厚度在5到100纳米之间，优选为20至60纳米。7.根据权利要求1-4任一项所述的光伏电池，其特征在于,所述中间层材料在光吸收材料和第一材料界面处形成大量团簇结构，将部分光吸收材料和第一材料分隔。8.根据权利要求1-7任一项所述的光伏电池，其特征在于,所述电池其中间层具有光电导特性。9.根据权利要求1-8任一项所述的光伏电池，其特征在于,所述电池其中间层材料吸收至少部分入射光子并转换成电池的部分电流。10.根据权利要求1-9任一项所述的光伏电池，其特征在于,所述电池的外量子效率在波长范围350纳米至450纳米之间高于70％。11.一种光伏电池,其特征在于,包含：铜基光吸收材料；一种电学性质与光吸收材料相匹配并且可以和光吸收材料形成p-n结的第一材料；第一材料在其与光吸收材料界面处含有含铟化合物。12.根据权利要求2-11任一项所述的光伏电池，其特征在于,所述光吸收材料和第一材料导带能带间距小于等于0.24eV。13.根据权利要求12所述的光伏电池，其特征在于,其光吸收材料的导带底高于第一材料。14.一种光伏电池，其特征在于,包含：铜基光吸收材料；一种电学性质与光吸收材料第一表面部分匹配并且可以和光吸收材料形成p-n结的第一材料；一种中间层材料置于第一材料的部分第二表面和光吸收层部分第二表面之间。15.根据权利要求14所述的光伏电池，其特征在于,所述中间层材料用于减少载流子在第一材料的部分第二表面和光吸收层部分第二表面之间的移动。16.根据权利要求14或15所述的光伏电池，其特征在于,所述中间层材料用于减少位于第一材料和光吸收材料界面间载流子复合中心的数量。17.根据权利要求14-16任一项所述的光伏电池，其特征在于,所述中间层材料的晶体结构和光吸收材料的晶体结构匹配。18.根据权利要求14-17任一项所述的光伏电池，其特征在于,所述中间层材料的晶格常数与光吸收层晶格常数一致。19.根据权利要求14-16任一项所述的光伏电池，其特征在于,所述中间层的备选材料有如下几种：硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硒化锌(ZnSe)、非晶硅以及三氧化二铝(Al2O3)。20.根据权利要求14-19任一项所述的光伏电池，其特征在于,所述中间层材料或含有大量的颗粒分布在光吸收材料的部分第二表面。21.根据权利要求20所述的光伏电池，其特征在于,颗粒侧向延伸范围小于光吸收材料少数载流子的扩散长度，且小于第一材料少数载流子的扩散长度。22.根据权利要求20或21所述的光伏电池，其特征在于,颗粒具有半球形形状。23.根据权利要求1-22任一项所述的光伏电池，其特征在于,还包含了第二材料，即位于背电极和铜基光吸收材料之间的材料,所述第二材料含有金属材料，用于减少背电极与光吸收材料之间硫化物或硒化物的形成。24.根据权利要求23所述的光伏电池，其特征在于,所述金属材料包括银，金及金银合金。25.根据权利要求1-24任一项所述的光伏电池，其特征在于,所述铜基光吸收材料包括铜锌锡硫材料、铜锌锡硒材料、或者铜锌锗锡硫属化合物。26.根据权利要求1-25任一项所述的光伏电池，其特征在于,所述第一材料含有硫化镉。27.一种制备光伏电池的方法，其特征在于,包含以下步骤：沉积导电材料；在导电材料上沉积铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘芳洋，郝晓静，
申请(专利权)人：新南创新有限公司，国电新能源技术研究院，
类型：发明
国别省市：澳大利亚,AU