[发明专利]一种II-VI族稀释氧化物半导体薄膜太阳电池

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料与器件领域，特别涉及一种新结构光伏电池。

背景技术

采用半导体技术将太阳能转化为电能是太阳能利用最直接的方式与途径。虽然晶体硅太阳电池已被大量使用，但目前仍然为不甚重要的补充能源。为使光伏发电成为人类未来获取电力的主要方式，关键在于光伏发电的成本要与常规能源相当。提高太阳电池的转换效率，是降低光伏发电成本的重要途径。

但是，常规电池都有一个共同点：吸收层材料只有一种电子跃迁方式（单能隙Eg）。因此，光子能量hυ＜Eg的太阳光不能被吸收；光子能量hυ＞Eg，超过能隙Eg的多余能量以热能化形式散失掉。可见，这类太阳电池只能利用太阳光部分波段的辐射能，以单晶硅太阳电池为例，光学损失高达53%。在Shockley-Queisser限制下（见Shockley W, Queisser H J. J Appl Phys, 1961, 32: 510），通过细致平衡模型可计算出这类电池在理想状态下的最高效率不超过30%。追根溯源，是因为采用单一能隙材料来转换较宽范围光谱的太阳光。

实际上，把Shockley-Queisser限制作为计算太阳电池理论转换效率不是很恰当，太阳电池理论转换效率应该比30%要高。通过计算，在考虑了太阳电池的辐射损失后，理论上可得到光电转换效率为93.3%（见Landsberg P T, Baruch P. J Phys A, 1989,22:1911）。因此，大幅度提高太阳电池的转换效率是完全可能的。在以上理论研究的基础上，Luque等（见Luque A, Marti A. Phys Rev Lett, 1997,78:5014）提出了多带隙太阳电池，即在一种宽带隙材料中引入一个或多个深杂质能级（带），于是，不同的带隙对应吸收不同波长的光，因而可更好地利用不同波段的太阳光，极大地提高太阳电池的转换效率。随后，Green（见Green M A. Prog Photovlt: Res Appl, 2001,9:137）发展了这一思想，在考虑能量转换过程中熵产生的情况下，他计算出太阳电池的理论转换效率为86.8%，并把这类新型太阳电池定义为第三代太阳电池。

第三代太阳电池最核心的是：有效利用太阳光。其主要途径有：1.多带隙；2.多结；3.光子能量的上转换、下转换（反Stokes变换、Stokes变换）；4.减少热能化的损失，等等。在宽带隙半导体（如?-SiC、ZnSe）中引入中间带(深杂质能级、GaAs量子点中间带)，理论上就可以形成三带隙或多带隙半导体。其中，三带隙半导体最容易也最有可能实现。因此，三带隙半导体材料引起了人们广为关注和重视。在三带隙半导体中，要求中间带尽可能窄且半满填充，这样，有利于接受来自价带的电子和提供电子给导带并使载流子尽可能不在中间带输运，于是，光子通过中间带产生电子-空穴对，形成三种可能跃迁：（1）价带到导带；（2）中间带到导带；（3）价带到中间带。这些跃迁分别对应三种不同的光吸收，如图1所示。可以看出常规太阳电池和多带隙太阳电池最根本的区别：很宽的太阳光谱范围，前者的光吸收过程为单一的本征吸收，而后者除本征吸收外还有其它的光吸收。

发明内容

本发明的目的是为了消除上述常规太阳电池（单一能隙材料）的不足或缺陷，提出一种II-VI族稀释氧化物半导体薄膜（三带隙材料）为吸收层的光伏太阳电池，这种稀释氧化物半导体薄膜为掺氧含量比较低的ZnSe（ZnSeO），即ZnSe_1-xO_x，0＜x＜0.1。采用上述结构的太阳电池，可更好收集和利用太阳光，获得更高的光电转换效率。

为实现本发明目的，本发明的技术方案是：以单晶材料为衬底，生长ZnSe基PIN结构的功能层，接下来生长过渡层，最后沉积电极材料。因此，这种太阳电池的结构为：衬底/ZnSe基PIN结构的功能层/过渡层材料/电极。

在上述方案中，衬底为ZnSe或GaAs单晶中的一种。

在上述方案中，ZnSe基PIN结构的功能层指的是P型材料为p-ZnSe，I层为ZnSeO，N层为n-ZnSe。