[发明专利]CdSe/CIS叠层薄膜太阳电池

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料与器件领域，特别涉及一种叠层薄膜太阳电池。

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。实现太阳能光伏发电，将在缓解化石能源枯竭、减少温室气体排放上起着至关重要的作用。虽然晶体硅太阳电池已被大量使用，但目前仍然是不重要的补充能源，追根究底，主要在于生产成本太高。要使光伏发电成为人类未来获取电力的主要方式，其发电成本要与常规能源相当。而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之一。为此，欧盟公布了《2030年及远期光伏技术展望》(Photovoltaic Technology Vision for 2030 and Beyond)，美国提出了高性能光伏计划(HiperfPV)，这些计划都提出了研发一种叠层薄膜太阳电池，从而大大提升器件光电转换效率(～25％)。

对于叠层薄膜太阳电池而言，需要顶电池具有较宽的能隙并且在近红外波段也要有较高的透过率。因此，几种比较重要的I-III-VI、II-VI族化合物等宽能隙合金获得比较多的关注，如，CuGaSe₂、Cu(InGa)(SeS)₂、Cu(InGa)S₂、CuInS₂、Cd_1-xZn_xTe。然而上述材料一旦作为顶电池沉积了透明背接触后，效率衰降程度很大。主要原因在于：(1)这类多元化合物制备困难，很难控制化学配比；(2)这类多元化合物与透明背接触工艺不兼容，当不透明的背接触换成透明的背接触材料，如透明导电氧化物薄膜(TCO)，高温过程常常导致Ga₂O₃的形成及TCO中组分的缺失，严重影响器件的性能，从而使效率大大降低。

虽然美国可再生能源实验室(NREL)采用II-VI族化合物CdTe制备了机械叠层CdTe/CuInSe₂(CIS)太阳电池(Prog Photovolt：Res Appl，2006，14：471)，但该结构也存在明显的不足，CdTe作为顶电池的吸收层，其能隙偏小于理想双结太阳电池的能隙(Prog Photovolt：Res Appl，2003，11：359)，而采用机械叠层结构，光学匹配对电池的结构和设计又提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的是为了消除上述叠层电池中工艺不兼容、结构上的不足或缺陷，进一步改进双结叠层薄膜太阳电池的结构设计，提出一种以CdSe作顶电池，而以CuInSe₂(CIS)作底电池的CdSe/CIS的双结叠层太阳电池结构，选择性地吸收和转化太阳光谱的不同波段的能量，从而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：把CdSe作为吸收层的顶电池直接沉积在CIS作为吸收层的底电池之上，形成双结两端一体化叠层薄膜太阳电池。CIS作为吸收层的底电池(简称CIS底电池)，指的是在玻璃衬底上依次为Mo背电极，吸收层CIS，缓冲层CdS、高阻层ZnO、调制掺杂ZnO基透明导电氧化物薄膜。所谓调制掺杂ZnO基透明导电氧化物薄膜指的是以Mg_xZn_1-xO:A1/Mg_xZn_1-xO/ZnO结构形式周期性地复合在一起，其中，Mg_xZn_1-xO:A1(能隙可高达～3.9eV)作为掺杂层，未掺杂较小能隙的ZnO(能隙～3.3eV)作为调制层，未掺Al的Mg_xZn_1-xO作为阻挡层。CdSe作为吸收层的顶电池指的是结构组成上依次具有单壁碳纳米管(SWCNT)作为p型透明前电极，ZnSe:N作为p型窗口层，CdSe作为n型吸收层，调制掺杂ZnO基透明导电氧化物薄膜作为共用透明接触层的器件。因此，本发明中CdSe/CIS叠层太阳电池的具体结构形式为：玻璃/Mo/CIS/CdS/ZnO/调制掺杂ZnO基透明导电氧化物薄膜/CdSe/ZnSe:N/单壁碳纳米管，其特征是采用单壁碳纳米管(SWCNT)作为透明前电极，调制掺杂ZnO基透明导电氧化物薄膜作为透明接触层。

在上述方案中，单壁碳纳米管(SWCNT)作为p型透明前电极，方块电阻约10～200欧姆，厚度30～1000nm。