[发明专利]一种纳米线阵列结构薄膜太阳能光伏电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光伏电池技术领域，特别涉及一种CIGS纳米线阵列结构薄膜太阳能光伏电池及其制备方法。

背景技术

随着人类对能源需求的不断增加，煤炭、石油、天然气等不可再生能源都将面临短缺的危机。此外，这些能源也存在自身的缺点，它们容易造成环境污染，引发酸雨、温室效应等问题，使得人类的生存和发展面临威胁，新能源和可再生能源的开发和利用也就势在必行。

太阳电池能够将太阳能和电能进行直接的转换，是开发和利用太阳能中较为受关注的课题。它的应用能够改变现有能源短缺的现状，并有助于减少上述能源引起的环境污染问题。

当前，研究较多的太阳电池有单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硫化镉、镉碲、铜铟硫、铜铟镓硒、铜铟镓硒硫等类型。随着人们对太阳电池光电转换效率提高的要求以及纳米技术的发展，更多人开始了对由上述材料制成的薄膜太阳电池、纳米线太阳电池、纳米棒太阳电池等的研究。

铜铟镓硒(CIGS)光伏电池是目前重要的薄膜光伏电池。CIGS为直接带隙半导体，具有较高的光吸收系数，光电转化效率较高，当前报道的实验室规模制备的CIGS薄膜太阳电池的光电转换效率已经达到了20％，但是距理论转换效率还是有较大的差距。

公开号为CN101471394的中国专利申请公开的铜铟镓硫硒薄膜太阳电池光吸收层的制备方法，采用非真空液相化学法制备CIGSS薄膜，该制备方法工艺简单，成本低廉，设备投资少，原料利用率高，可控性强，易于实现大面积薄膜的制备和大规模生产。

公开号为CN 101459200A的中国专利申请公开的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池及其吸收层的制备方法，选用柔性金属或聚酰亚胺膜做衬底，磁控溅射Mo膜后再制备金属预制层，真空密封后，放入炉中升温，固态硒源所在区域温度控制在180-300摄氏度，进行硒化处理，使金属预制层转变为半导体薄膜。该工艺过程可控重复性好，减少了硒或硫的用量，过程可控，设备简单。

公开号为CN 101768729A的中国专利申请公开的磁控溅射法制备铜铟镓硒薄膜太阳电池光吸收层的方法，采用在底电极上通过磁控溅射法，采用单靶溅射、富铜靶和贫铜靶同时或先后溅射，制备出具有高反应活性，可快速反应烧结的CIGS前驱薄膜，然后将CIGS前驱薄膜进行热处理，快速反应生成平整、致密、均匀、光电性能良好的CIGS太阳电池光吸收层薄膜。该方法可控性强，薄膜质量高，均匀性好，工艺简单，适合工业化生产。

上述几种方法都能制备出质量高，均匀性好的CIGS薄膜，但规模化生产制备的CIGS薄膜太阳能光伏电池转换效率一般不超过15％，低于实验室制备的CIGS薄膜太阳电池20％光电转换效率，也远远低于理论转换效率。

目前纳米线阵列结构的CIGS太阳能光伏电池是各国研发的重点。纳米线阵列光伏电池具有薄膜光伏电池不具备的优点，主要的优点有：一是纳米线阵列可以有效的减少光反射，增加光伏电池对光的吸收能力；二是能够充分利用纳米线阵列直径较小，光线的吸收发生在纳米线阵列的轴向，纳米线阵列之间的距离小于光波波长来增大对光的吸收，而且纳米线的晶体点阵择优取向减小了点阵畸变，减小对光的反射；三是纳米线阵列的比表面积大，增大了载流子产生的几率，且载流子的输运发生在径向，减少了空穴和电子复合的几率，能够实现太阳能光伏电池光电转换效率的大幅提高。所以，部分人尝试采用不同方法制备CIGS纳米线阵列太阳能光伏电池光吸收层。

Carmelo Sunseria等人通过使用氧化铝模板的恒压沉积方法制备出的CIGS纳米线阵列，Ga和其它三种元素的原子百分比达到了2.4，光学带隙达到了1.55.Yi Cui等人第一次利用Au颗粒催化的VLS生长方法，制备出CIGS纳米线。但是以上方法都不适合制备大面积CIGS纳米线阵列光伏电池，对其点阵结构和取向的控制能力有限，还没有制备出可实用的纳米线结构薄膜光伏电池。在纳米结构CIGS薄膜光伏电池制备过程中，还不存在一种较为完善的制备纳米线阵列太阳能光伏电池的生产方法。普遍存在的主要问题是难以实现大面积生产制备、制备成本较高，且各元素比例和材料微观结构较难控制。

发明内容

为了解决上述纳米线阵列光伏电池现有制备技术中存在的不足，本发明的首要目的在于提供一种纳米线CIGS薄膜光伏电池的制备方法，该方法具有工艺简单，成本较低，能够进行大面积加工、对设备要求不高等优点。

本发明的又一目的在于提供一种上述方法制备的纳米线CIGS薄膜光伏电池。