[发明专利]一种光伏半导体纳米晶及制备法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种Cu(In，Al)Se₂类光伏半导体纳米晶，更具体地是涉及一种Cu(In，Al)S₂、Cu(In，Al)Se₂或Cu(In，Al)(S，Se)₂光伏半导体纳米晶。

本发明还涉及制备上述光伏半导体纳米晶的方法。

本发明还涉及上述光伏半导体纳米晶的应用。

背景技术

随着社会和科学技术的发展，光伏和光电转换器件成为当今世界的重大研究课题。人们为了经济高效地利用太阳能，希望开发出相对廉价的太阳能电池。

例如：染料敏化太阳能电池，其光-电转换机理为：具有高比表面积的纳米晶多孔薄膜可以吸附很多单层染料分子来吸收太阳光；吸附的单层染料激发产生电子以后快速地将电子注入到半导体的导带中，然后经过外电路传递至阴极，从而形成电流。瑞士科学家Michael Gratzel把大颗粒的TiO₂晶体，替换成直径20nm的小颗粒海绵状TiO2，外层包裹染料薄层，形成10微米厚的光学透明薄膜。这类电池转换效率的世界纪录是11％。

但是，染料敏化太阳能电池一般采用价格昂贵的有机金属染料。例如，钌(Ru)染料是一类高效的敏化染料(如：N3、N791、N945等)。钌属于稀有金属，价格昂贵，染料的合成提纯方法复杂等是这类太阳能电池的缺点之一。

另外，Cu(In，Ga)(S，Se)₂类太阳能电池采用Mo作为电极层，以Cu(In，Ga)(S，Se)₂作为吸收层，以CdS或ZnS作为缓冲层，以ZnO作为窗口层。现在这类太阳能薄膜电池的能量转换效率已经达到19％。美国Nanosolar公司开发了CIGS纳米油墨，结合卷对卷技术，在2007年底推出了CIGS柔性电池。Nanosolar公司使用铝箔底衬并在铝箔上溅射Mo层，不但廉价，而且电导率高。

但是，Cu(In，Ga)(S，Se)₂类太阳能电池的吸收层Cu(In，Ga)(S，Se)₂中的元素铟和镓都是稀有金属和稀散金属。镓在大自然中很分散，没有形成集中的镓矿，且提炼困难。铟在地壳中的分布量比较小，也很分散。其含量和银相当，而产量仅约为银的1％。

Cu(In，Ga)(S，Se)₂类太阳能电池的吸收层中掺入镓元素可以调节其带隙宽度，从而更好地和太阳光光谱匹配，同时还避免了材料中的相分离。因此，镓的掺入大大提高了这类电池的效率。而在CuInSe₂半导体中掺入铝元素同样可以起到调整半导体带隙宽度和避免相分离的作用，这样就避免了使用价格昂贵的镓元素。对于Cu(In，Al)(S，Se)₂材料，人们通过共蒸发沉积的方法已经制备出具性能较好的电池，Cu(In，Al)Se₂电池的最高效率为16.9％。