[发明专利]一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池及其制备方法。该太阳电池由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、窗口层、光活性层、背电极修饰层以及阳极层叠而成。其中阴极为ITO，阴极界面层为ZnO，窗口层为CdSe或CdSe_xTe_1‑x合金薄膜，光活性层由多层CdSe_xTe_1‑x与CdTe薄膜层叠构成，背电极修饰层为MoO_x，阳极为Au。其中，光活性层采用CdSe_xTe_1‑x合金纳米晶与CdTe纳米晶构成阶梯结构，相比于传统的异质结太阳电池，更有利于光生载流子的分离、传输和搜集，显著提高器件性能。本发明采用全溶液法加工，成本低，制作简便，有望实现大规模生产。

技术领域

本发明属于光电器件领域，具体涉及一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池及其制备方法。

背景技术

能源与环境是当今人类面临的两大问题，随着全球能源使用量的增长及不科学使用，化石燃料等不可再生能源日益枯竭，并对环境产生严重影响。发展清洁能源，改善能源使用结构，成为急不可待的任务。太阳能光伏发电是新能源的重要组成部分，被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术。基于光生伏特效应的太阳电池一直是国内外科学研究的热点。相比于传统晶硅太阳电池，纳米晶太阳电池以其原材料消耗少、成本低、可溶液加工等优点，成为国内外科研工作者的新宠。

2005年，Alivisatos等人(Alivisatos P A,Gur I,Milliron D.Nanocrystalsolar cells processed from solution:US,US8440906[P].2013.)借鉴有机聚合物成膜的方法，首次开展了基于旋涂方法制备无机纳米晶太阳电池的研究，并取得2.9％的能量转换效率。在该体系中，以CdTe作为p型材料，CdSe为n型材料，构成异质结太阳电池，器件结构为ITO/CdTe/CdSe/Al。由于CdTe、CdSe的价带、导带不同，因此在其二者界面处会产生能级梯度，促进载流子分离。通过调控纳米晶的尺寸进而调节带隙，有望获得更优的器件性能，因此，溶液法加工纳米晶太阳电池受到广泛关注。

2011年，Jasieniak等人(Jasieniak J,Macdonald B I,Watkins S E,etal.Solution-processed sintered nanocrystal solar cells via layer-by-layerassembly[J].Nano Letters,2011,11(7):2856-64.)引入ZnO纳米晶作为受体材料，利用层层旋涂烧结加工法，制备出CdTe/ZnO纳米晶太阳能电池，能量转换效率达6.9％。ZnO经旋涂烧结形成致密平滑的界面层，保证了CdTe层铺展的平整均一，从而有效避免了CdTe层与ITO的直接接触造成较大的漏电流，提高了器件的性能。此外，因热处理过程中会出现较大的应力，破坏薄膜晶体的周期性，采用layer-by-layer方法可以通过降低每一层的膜厚而减小应力的破坏，且对于上一层产生的缺陷，下一层能够起到很好的补偿作用，从而总体上提高了晶体层的质量。

2014年，Townsend T K等人(Townsend T K,Foos E E.Fully solutionprocessed all inorganic nanocrystal solar cells.[J].Physical ChemistryChemical Physics Pccp,2014,16(31):16458-64.)成功制备了结构为ITO/CdSe/CdTe/Au倒置结构的全无机纳米晶太阳电池。虽然低功函数金属，如Al，可以跟n型层形成欧姆接触，但是容易被氧化，影响器件的寿命，因而通常的高效电池均采用倒置结构，以增强器件的稳定性。该结构器件的效率并不太理想，主要是CdSe直接沉积在ITO上，缺陷会较多，容易造成器件的短路，因而器件的开路电压和填充因子都比较低，影响了器件的能量转换效率。