铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池及其制备方法，所述太阳电池包括：依次形成于玻璃基片上的N型透明导电膜、和N型宽带隙半导体微粒多孔膜；在所述N型宽带隙半导体微粒多孔膜的孔隙内和表面原位生成从而与其复合的铜铟镓硫硒敏化层；以及形成于所述铜铟镓硫硒敏化层上的背电极；其中，所述全固态铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池不含有机染料和液态电解质。本发明专利技术中，铜铟镓硫硒在多孔半导体阳极的孔隙内和表面原位生成，因此铜铟镓硫硒与多孔半导体阳极之间可实现紧密的化学结合，实现光生载流子在界面上有效传输。

【技术实现步骤摘要】
铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池及其制备方法
本专利技术属于太阳电池能源领域，具体涉及一种全固态铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池及其制备方法。
技术介绍
能源和环境是人类社会可持续发展的两大战略问题，随着人类社会的不断发展，清洁可再生能源的开发和利用显得越来越重要和紧迫。太阳能是一种清洁、丰富、不受地域限制的可再生能源，太阳能的有效开发和利用具有十分重要的意义。太阳电池是人类有效利用太阳能的主要形式之一。敏化型太阳电池以其生产成本低、设备投资省、能源消耗少、无需真空、工艺简单，有望实现可与现有电价相比拟的低成本发电，引起了人们的广泛关注。然而传统的染料敏化型太阳电池，使用的是有机染料和液态电解质，导致器件本身存在许多难以克服的内在缺陷。有机染料本身的长期光稳定性、有机染料与半导体微粒之间化学吸附的长期稳定性、有机染料在半导体微粒表面的光腐蚀分解、液态电解质的高温挥发、液态电解质对封装材料的腐蚀、液态电解质在低温下凝固导致电池不能使用等各种内在缺陷，都难以克服。
技术实现思路
面对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种全固态无机染料敏化半导体阳极太阳电池的器件结构及其制备方法，主要涉及全固态铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池及其制备方法。在此，一方面，本专利技术提供一种全固态铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池，包括：依次形成于玻璃基片上的N型透明导电膜、和N型宽带隙半导体微粒多孔膜；在所述N型宽带隙半导体微粒多孔膜的孔隙内和表面原位生成从而与其复合的铜铟镓硫硒敏化层；以及形成于所述铜铟镓硫硒敏化层上的背电极；其中，所述全固态铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池不含有机染料和液态电解质。本专利技术的铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池与传统的有机染料敏化太阳电池相比，铜铟镓硫硒替代了有机染料和液态电解质，因此不存在由于液态电解质而导致的封装问题；铜铟镓硫硒与半导体阳极之间形成稳定的固-固界面，因此不存在有机染料与阳极脱附而造成的电池寿命问题；铜铟镓硫硒为稳定的固态半导体，因此不存在有机染料被半导体阳极光降解而造成的光腐蚀问题；铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池是全固态太阳电池，因此电池的外形设计几乎不受限制，可在极低温、高温和强辐射条件下使用，可制备成柔性太阳电池。其中最重要的是，铜铟镓硫硒在多孔半导体阳极的孔隙内和表面原位生成，因此铜铟镓硫硒与多孔半导体阳极之间可实现紧密的化学结合，实现光生载流子在界面上有效传输。较佳地，所述玻璃基片为碱金属玻璃基片或超白太阳能玻璃基片。较佳地，所述N型透明导电膜由N型透明导电薄膜材料经磁控溅射、反应溅射、化学气相沉积、喷雾热解或溶胶-凝胶法制得，其中所述N型透明导电薄膜材料选自FTO（掺氟二氧化锡），ITO（氧化铟锡），AZO（掺铝氧化锌），Cd2SnO4，Zn2SnO4，TiO2:Nb和SrTiO3:Nb中的任意一种或两种以上。较佳地，所述N型透明导电膜的厚度为100～1000nm。较佳地，所述N型宽带隙半导体微粒多孔膜由宽带隙N型半导体材料经丝网印刷法或流延法制得，其中所述宽带隙N型半导体材料选自宽带隙N型氧化物半导体材料、宽带隙N型硫化物半导体材料、宽带隙N型氧卤化物半导体材料和宽带隙N型硫卤化物半导体材料中的任意一种或两种以上。较佳地，所述宽带隙N型氧化物半导体材料选自TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、ZnO、In2O3、SnO2、和SrTiO3中的任意一种或两种以上；所述宽带隙N型硫化物半导体材料选自ZnS、CdS、In2S3、SnS2、和Sb2S3中的任意一种或两种以上；所述宽带隙N型氧卤化物半导体材料选自BiOX和/或SbOX，其中X选自Cl、Br、和/或I；所述宽带隙N型硫卤化物半导体材料为BiSX，其中X选自Cl、Br和/或I。较佳地，所述N型宽带隙半导体微粒多孔膜的厚度为1～10μm。较佳地，所述铜铟镓硫硒敏化层为铜铟镓硫硒半导体薄膜，其组分为CuxIn1-yGaySe2-zSz，其中0.6≤x≤0.9，0≤y≤1，0≤z≤2。较佳地，所述铜铟镓硫硒敏化层的厚度为50nm～5000nm。较佳地，所述背电极由背电极材料经真空蒸镀制得，其中所述背电极材料选自高功函数金属、高功函数导电非金属、或高功函数P型导电化合物。较佳地，所述高功函数金属选自Cu、Ni、Mo、Au、和Pt中的任意一种或两种以上；所述高功函数导电非金属选自C、Te、和SiC中的任意一种或两种以上；所述高功函数P型导电化合物选自ZnTe、ZnTe:Cu、CuTe、和Sb3Te2中的任意一种或两种以上。较佳地，所述背电极的厚度为50～5000nm。另一方面，本专利技术还提供一种上述铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池的制备方法，包括：1）采用N型透明导电薄膜材料经磁控溅射、反应溅射、化学气相沉积、喷雾热解或溶胶-凝胶法在玻璃基片上制备N型透明导电膜；2）将含有粒径为1～1000nm的宽带隙N型半导体材料微粒的浆料经丝网印刷或流延法涂覆在所述N型透明导电膜上、经干燥退火后形成N型宽带隙半导体微粒多孔膜；3）将所述N型宽带隙半导体微粒多孔膜置于含铜、铟、镓、硫和硒元素的铜铟镓硫硒液相前驱体中浸泡0.1～5小时后，经180～600℃退火5～120分钟后在所述N型宽带隙半导体微粒多孔膜的孔隙内和表面原位生成铜铟镓硫硒敏化层；4）将背电极材料经真空蒸镀法在所述铜铟镓硫硒敏化层上形成背电极，即制得铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池。较佳地，所述宽带隙N型半导体材料微粒通过水热法，溶剂热法，溶胶-凝胶法，化学沉淀法，微乳液法，胶束法，反胶束法或高温裂解法制备。本专利技术通过预先根据现有技术（例如US2009145482A1和CN101960610B）制备出铜铟镓硫硒液相前驱体，然后将前期制备半导体多孔阳极膜浸泡在铜铟镓硫硒液相前驱体中后进行退火，得到半导体阳极多孔膜-铜铟镓硫硒复合膜。由于是采用铜铟镓硫硒液相前驱体法将铜铟镓硫硒引入阳极多孔膜，经退火在阳极多孔膜的孔隙内和表面原位生成铜铟镓硫硒，因此阳极多孔膜表面与铜铟镓硫硒两相之间形成紧密的化学结合，有利于载流子在两相之间的有效传输，因此可以大大降低太阳电池的制造成本。本专利技术的制备方法工艺简单，成本低廉，设备投资少，原料利用率高，可控性强，重复性好，易于实现大规模生产。附图说明图1为本专利技术一个示例的全固态铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池的器件结构示意图；图2为本专利技术一个示例的全固态铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池的制备流程示意图。具体实施方式以下结合附图和下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。若非特别说明，本专利技术中的术语“N型半导体”是指靠电子导电的半导体。图1示出本专利技术一个示例的全固态铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池的器件结构图。如图1所示，全固态铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池可以包括：玻璃基片5、依次形成于玻璃基片5上的N型透明导电膜4和N型宽带隙半导体微粒多孔膜3、在所述N型宽带隙半导体微粒多孔膜3的孔隙内和表面原位生成从而与其复合的铜铟镓硫硒敏化层2、以及形成于铜铟镓硫硒敏化层2上的背电极1。玻璃基片5只要能透过太阳光即可，例如可选自：碱金属玻璃或高透过率的超白太阳能玻璃。其中，碱金属玻璃例如可以是普通钠本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全固态铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池，其特征在于，包括：依次形成于玻璃基片上的N型透明导电膜、和N型宽带隙半导体微粒多孔膜；在所述N型宽带隙半导体微粒多孔膜的孔隙内和表面原位生成从而与其复合的铜铟镓硫硒敏化层；以及形成于所述铜铟镓硫硒敏化层上的背电极；其中，所述全固态铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池不含有机染料和液态电解质。

【技术特征摘要】
1.一种全固态铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池，其特征在于，包括：依次形成于玻璃基片上的N型透明导电膜、和N型宽带隙半导体微粒多孔膜；在所述N型宽带隙半导体微粒多孔膜的孔隙内和表面原位生成从而与其复合的铜铟镓硫硒敏化层；以及形成于所述铜铟镓硫硒敏化层上的背电极；其中，所述全固态铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池不含有机染料和液态电解质。2.根据权利要求1所述的铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池，其特征在于，所述玻璃基片为碱金属玻璃基片或超白太阳能玻璃基片。3.根据权利要求1或2所述的铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池，其特征在于，所述N型透明导电膜由N型透明导电薄膜材料经磁控溅射、反应溅射、化学气相沉积、喷雾热解或溶胶-凝胶法制得，其中所述N型透明导电薄膜材料选自FTO，ITO，AZO，Cd2SnO4，Zn2SnO4，TiO2:Nb和SrTiO3:Nb中的至少一种；所述N型透明导电膜的厚度为100～1000nm。4.根据权利要求1所述的铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池，其特征在于，所述N型宽带隙半导体微粒多孔膜由宽带隙N型半导体材料经丝网印刷法或流延法制得，其中所述宽带隙N型半导体材料选自宽带隙N型氧化物半导体材料、宽带隙N型硫化物半导体材料、宽带隙N型氧卤化物半导体材料、和宽带隙N型硫卤化物半导体材料中的至少一种；所述N型宽带隙半导体微粒多孔膜的厚度为1～10μm。5.根据权利要求4所述的铜铟镓硫硒敏化半导体阳极太阳电池，其特征在于，所述宽带隙N型氧化物半导体材料选自TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、ZnO、In2O3、SnO2、和SrTiO3中的至少一种；所述宽带隙N型硫化物半导体材料选自ZnS、CdS、In2S3、SnS2、和Sb2S3中的至少一种；所述宽带隙N型氧卤化物半导体材料选自BiOX和/或SbOX；所述宽带隙N型硫卤化物半导体材料为BiSX；其中X选自Cl、Br和/或I...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄富强，王耀明，朱小龙，张雷，李爱民，秦明升，刘战强，谢宜桉，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：