[发明专利]用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜太阳能电池技术领域，特别涉及一种用作太阳能电池吸收层的稀土半导体化合物及其制备方法。

背景技术

在能源危机与环境污染日益严重的情况下，开发新能源显得日益重要，而太阳能具有取之不尽、用之不竭的特点，是最有发展前景的新能源，因此太阳能光伏发电的研究尤为重要。目前而言，市场商业化最成熟的太阳能电池为硅太阳能电池，但是单晶硅太阳能电池由于其吸收系数较低，故要求有一定的厚度，导致成本较高；多晶硅太阳能电池要求的原料纯度低，但材料利用率低；非晶硅太阳能电池存在着光衰退现象，很难做大型电源。以上缺点限制了硅电池成为理想的太阳能电池材料。因此发展低能耗高效率的新型薄膜太阳能电池成为全球学者关注的焦点。

在多种薄膜太阳能电池中，铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池具有层状结构，吸收层材料属于I-Ⅲ-VI族化合物，衬底一般采用玻璃，通常采用真空溅射、蒸发、丝网印刷或者其它非真空的方法，分别沉积多层薄膜，形成P-N结构而构成光电转换器件。从光入射层开始，各层分别为：金属栅状电极、减反射膜、窗口层（ZnO）、过渡层（CdS）、光吸收层（CIGS）、金属背电极（Mo）、玻璃衬底。其中吸收层为电池的主要部分。CIGS化合物具有黄铜矿结构，是直接带隙半导体、吸收系数大（>10⁴cm^-1）、禁带宽度可调到太阳能电池材料的最佳禁带宽度（1.45eV），是非常有前途的薄膜电池材料。

近年来，人们对铜铟镓硒薄膜电池的研究，已诸多见报，对其制备工艺与转换效率的关系的探讨居多：CIS薄膜电池的光电转化从上个世纪80年代最初的8%提高到15%左右。文献《19.9%-ef?cient ZnO/CdS/CuInGaSe2 solar cell with 81.2% ?ll factor》（I. Repins, M. A. Contreras, B. Egaas, C. DeHart, J. Scharf, C.L. Perkins, B. To, R. Nou?, Prog. Photovolt.: Res. Appl. 16 （2008） 235–239）报道了CIGS薄膜太阳能电池的转换效率最高达19.9%。文献《Fabrication of CIGS Films by Electrodeposition Method for Photovoltaic Cells》（H. Lee, H. Yoon, C. Ji, D. Lee, JH. Lee, JH. Yun, Y. Kim, J of electronic Materials）中用电沉积方法制造了CIGS薄膜，说明了沉积的薄膜质量与电沉积速率的关系。文献《Properties of different temperature annealed Cu（In,Ga）Se₂ and Cu（In,Ga）₂Se_3.5 films prepared by RF sputtering》采用射频溅射法制备了Cu（In,Ga）Se₂ 和Cu（In,Ga）₂Se_3.5薄膜，分析了退火温度对薄膜结构、成分以及电性能的影响。

在对CIGS薄膜太阳能电池研究的过程中，也暴露了其缺点：CIGS太阳电池为层状结构，其中CdS过渡层有毒，对环境造成污染；CIGS太阳电池的吸收层为四元化合物，并且Se元素的熔沸点很低（melting point：221℃，boiling point: 685℃），易挥发，在制备过程中材料组成成分难于精确控制，加大了其制造工艺难度，生产成本居高不下，限制了其大规模生产。也有Cu（In,Ga）S₂（A. Krysztopa, M. Lgalson, N. Papathanasiou, Persistent phenomena in the electrical characteristics of solar cells based on Cu（In,Ga）S₂, Physica Status Solidi C Current Topics in Solid State Physics: 6（5）: 1291-1294 ）等黄铜矿化合物作为薄膜电池吸收层已见报道。但是依然无法克服其瓶颈使易于加工降低成本。因此寻找新型的低成本、易加工的化合物做为太阳电池的吸收层材料成为亟待解决的问题。

发明内容