CN104241411A - 一种阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池及其制备方法 - Google Patents

一种阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104241411A
CN104241411A CN201410318165.3A CN201410318165A CN104241411A CN 104241411 A CN104241411 A CN 104241411A CN 201410318165 A CN201410318165 A CN 201410318165A CN 104241411 A CN104241411 A CN 104241411A
Authority
CN
China
Prior art keywords
anode
solar cell
cadmium telluride
nanocrystalline
schottky junction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201410318165.3A
Other languages
English (en)
Inventor
覃东欢
朱娇燕
高玉萍
杨跃骅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN201410318165.3A priority Critical patent/CN104241411A/zh
Publication of CN104241411A publication Critical patent/CN104241411A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • H01L31/03925Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate including AIIBVI compound materials, e.g. CdTe, CdS
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0224Electrodes
    • H01L31/022408Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1828Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, CdTe
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/543Solar cells from Group II-VI materials
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池及其制备方法,所述太阳电池由玻璃衬底、阳极、阳极界面层、光活性层、阴极依次层叠而成。在阳极与活性层之间加入阳极界面层进行阳极功函调控,阳极界面层指Au、MoOX或C60。阳极界面材料具有高的功函数。通过真空蒸镀的方式将阳极界面材料沉积在阳极衬底上或将阳极界面材料溶于有机溶剂制备成溶液,最终在阳极衬底上形成阳极界面层。本发明可明显提高碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池能量转换效率,改善I-V曲线的卷曲现象,增强二极管特性,延长器件使用寿命。本发明制备工艺简单,主要制备过程均可在普通通风橱内溶液加工完成,大大地减少了制作成本。

Description

一种阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电器件领域,具体涉及一种阳极界面修饰高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池及其制备方法。
背景技术
随着科学技术和物质文明的发展,人类对能源的需求越来越大。作为目前人类依赖最多的矿物能源和原子能,其弊端越来越明显。于是人们将目光投向了洁净的可再生的能源如太阳能,但太阳电池要与传统能源竞争,首先要在以下两个方面要实现新的突破:一是降低现有太阳电池的生产成本,主要是降低原材料与能耗的成本;二是提高太阳电池的光电转换效率,即提高电池的性能价格比。近年来,薄膜太阳电池发展迅猛,主要包括硅基薄膜太阳电池、无机化合物薄膜太阳电池(铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池、碲化镉(CdTe)太阳电池)、有机聚合物薄膜太阳电池。其中CIGS薄膜太阳电池的实验室光电转换效率达到了20.3%,接近多晶硅太阳电池的最高转换效率。无机化合物薄膜太阳电池具有与太阳光谱相匹配、吸收系数较大、能量转换效率高等优点,但其制备方法主要有近空间升华法,丝网印刷法,电化学沉积法,真空蒸镀法,喷雾法等,这些方法受到高温或者高真空的限制,使得制作成本较高。有机薄膜太阳电池是近年来迅速发展起来的另一种新型太阳电池。由于它有望实现制作方法简单、重量轻、成本低、可弯曲以及适宜大面积生产的太阳电池,所以引起了广泛的关注。但是,由于聚合物太阳电池的光谱响应范围与太阳光谱不匹配,载流子迁移率不高,稳定性和寿命较差等特点,使得产业化的聚合物太阳电池还有待实现。无机纳米晶太阳电池既保持了无机半导体材料良好的太阳光谱响应,载流子传输性能以及良好的稳定性等优点,又具有溶液加工、成本低、可弯曲等优势,近年来成为科学家们研究的热点,与此同时,纳米晶太阳电池所具有的多激子效应有望突破Shockley–Queisser极限。
2005年Alivisatos(I.Gur,N.A.Fromer,M.L.Geier,A.P.Alivisatos,Science,2005,310,462.)研究小组借鉴有机聚合物溶液成膜的方法,首次成功地制备了全无机纳米晶太阳电池,采用溶剂热法制备的CdTe和CdSe纳米晶分别作为给体和受体材料,通过旋涂甩膜的方式制成D-A体系全无机纳米晶薄膜太阳电池。其中CdTe层主要用于吸收太阳光并产生电子空穴对,CdSe层用于传输电子,整个器件构成典型的二极管结构,他们通过对纳米晶进行烧结处理减少纳米晶表面的缺陷,促进载流子的传输。在标准AM1.5G模拟太阳光照射下,最好器件的短路电流达到13.2mA/cm2,开路电压达到0.45V,填充因子为49%,整个器件的转化效率为2.9%。至此,溶液加工的全无机太阳能电池使得稳定低成本的太阳能电池有望实现。2011年,Jasieniak等(J.Jasieniak,B.I.MacDonald,S.E.Watkins,P.Mulvaney,NanoLett.,2011,11,2856.)通过层层叠加的方法,溶液加工CdTe/ZnO纳米晶太阳能电池,能量转换效率达高到6.9%。由于热处理过程中会出现较大的应力,破坏薄膜表面,一层层热处理的方法从两方面有效的克服这一问题,一是每一层相对较薄,从而应力会相对小些;另外每层出现的缺陷,能够有效的被下一层所填补改善。2012年,Sh.Sun等人(Shi Sun,Hongmei Liu,Yuping Gao,Donghuan Qinand Junwu Chen,J.Mater.Chem.,2012,22,19207,)借鉴Jasieniak的layer-by-layer方法,制备了CdTe纳米晶肖特基结太阳电池。他们探索了不同CdTe纳米晶形貌对器件的影响,最终确定由四足状与棒状组成的长径比约为3.1的CdTe纳米晶(平均直径约为4.5nm,平均长度约为14nm)制得的器件效率最优,能量转换效率高达5.15%。2014年,Panthani等[Matthew G.Panthani,J.Matthew Kurley,et al.High EfficiencySolution Processed Sintered CdTe Nanocrystal SolarCells:The Role of Interfaces.Nano Lett.,2014,14,670-675.]在Jasieniak的工作基础上制备了n-ZnO/p-CdTe异质结太阳电池,他们采用两种ZnO前驱体作对比,分别是ZnO纳米晶和溶胶-凝胶法制备的In-ZnO,发现后者更能形成光滑致密的界面,并且In的掺杂明显提高了ZnO的导电率。他们还指出,在采用layer-by-layer方法制作器件时,可以将每一层CdTe厚度降低到50nm,旋涂8-12层,来获得更高的薄膜质量。同时,采用一种current/light-soaking的方法(即器件在2-3V的正向偏压下光照10分钟)处理,最终获得的器件短路电流达到25.8mA/cm2,填充因子增加到71%,最优器件效率达到了12.3%,是目前世界上碲化镉纳米晶太阳电池的最高效率。
然而目前的碲化镉纳米晶太阳电池都存在一定的问题:光从ITO阳极一侧入射,光生电子需要经过比较厚的活性层才能到达阴极,在传输的过程中极易被复合,因而不利于载流子的分离与提取;另一方面,根据Schottky理论,要使P型的CdTe与阳极形成欧姆接触,阳极的功函数必须高于CdTe的功函数。然而ITO的功函数低于CdTe的功函数,势必会形成一个与CdTe/Al反向的肖特基二极管,影响空穴传输。针对这些问题,本发明提供了一种阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池的制备方法,以实现阳极与活性层之间欧姆接触,促进载流子提取与分离,提高器件光电转换效率,增强器件性能。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池制备方法,本发明简单易制作,可以有效地提高太阳电池光电转换效率,增强太阳电池性能。
本发明通过以下方案予以实现:
一种阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池,所述太阳电池由上到下依次由玻璃衬底、阳极、阳极界面层、光活性层和阴极构成。
优选地,所述阳极为氧化铟锡导电膜、掺氟二氧化锡导电膜、金属膜和金属氧化物薄膜中的至少一种,所述阳极厚度为80~200nm。所述阳极为氧化铟锡导电膜(ITO),厚度约为130nm,方块电阻小于20Ω/□,透光率≥85%。
优选地,所述阳极界面层具有高的功函数,能够有效地提高阳极功函,降低阳极与活性层之间的接触势垒,所述阳极界面层为高功函金属Au、过渡金属氧化物MoOX(x值为2~3)或C60三者中的一种,厚度为0.5~10nm。其中以Au的界面修饰效果最好,当Au的厚度为1nm时,可以将器件光电转换效率由4.4%提升到5.3%。其中Au和MoOX以真空蒸镀方式制得。制备方式如下,将洗干净的ITO玻璃基片传入真空镀腔中,开启机械泵和分子泵,当镀腔内达到3~5×10-4Pa的高真空以后,开始蒸镀,其厚度由石英振子膜厚监测仪实时监控获得;C60界面层由溶液加工的方式制得,将C60粉末溶解于对二甲苯中,制得浓度为5mg/ml的紫色溶液,将该溶液以不同转速旋涂在ITO基片上,以获得不同的厚度的C60,其厚度由椭偏仪监控测得。经200℃加热20分钟后,获得均匀、透光性好的C60界面层。这几种界面修饰层同时具有较高的透光率和功函数,是理想的阳极界面修饰材料。能够有效地提高阳极功函,增加空穴的收集,提高器件的稳定性。
优选地,所述光活性层为CdTe纳米晶,厚度为400~700nm,优选厚度为500~600nm,由多层CdTe纳米晶叠加而成。制备方法如下:将CdTe纳米晶溶解于有机溶剂,得到均匀的黑色溶液,将上述溶液经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式沉积在阳极界面层上,之后浸入饱和的CdCl2甲醇溶液处理,350℃高温处理一段时间,获得CdTe纳米晶单层,再由层层叠加的方式溶液加工制得能够有效地减少界面缺陷和内应力的,均匀致密的CdTe光活性层。
优选地,溶解CdTe纳米晶有机溶剂是指极性有机溶剂,如正丙醇、吡啶、甲基吡啶、苯甲醇一种或几种组合而成。
优选地,所述活性层厚度可以通过调节CdTe纳米晶的浓度、旋涂转速以及旋涂层数获得。
优选地,所述阴极为Ag或Al,通过真空蒸镀的方式沉积在光活性层上,厚度为80~120nm。
CdTe纳米晶参照文献(S.Sun,H.M.Liu,Y.P.Gao,D.H.Qin,J.Materials.Chemistry.,2012,517,6853–6856.)制备得到。
一种阳极界面修饰高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池的制备方法,包括如下步骤:
①将附着有阳极的玻璃衬底清洗,干燥;
②采用真空蒸镀或溶液加工的方式在阳极表面沉积阳极界面层;
③采用溶液加工法在阳极界面层上制备光活性层;
④采用真空蒸镀法在光活性层上镀上阴极Al或Ag;
⑤制备好的器件采用环氧树脂固化封装,得到一种阳极界面修饰的碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池。
上述方法中,步骤③的具体制备方法为:采用溶剂热法制备得到碲化镉纳米晶,溶解于有机溶剂得到黑色溶液,即CdTe纳米晶溶液,将上述溶液经旋涂、刷涂、喷涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式沉积在阳极界面层上,得到碲化镉纳米晶;所述光活性层由多层碲化镉纳米晶叠加而成。
上述方法中,所述的有机溶剂为极性有机溶剂,包括正丙醇、奈啶、吡啶、甲基吡啶、苯甲醇或体积分数为1:1的吡啶/正丙醇混合溶液,所述CdTe纳米晶溶液浓度为1~1000mg/mL。
本发明具有如下优点:
(1)本发明涉及的器件制备方法可有效地提高阳极功函,实现阳极与活性层之间欧姆接触,促进了空穴传输和提取,有效地提高了CdTe纳米晶肖特基结太阳电池的太阳开路电压和填充因子,提高能量转换效率。
(2)本发明涉及的器件结构可增强CdTe纳米晶肖特基结太阳电池的二极管特性,增强其在空气中的稳定性,延长其寿命。
(3)本发明涉及的器件结构,可同时采用对太阳光谱具有10%以上的透射率的薄膜作为两端的阳极和阴极,实现透明或者半透明太阳电池的制备。
(4)本发明涉及的溶液加工技术均在空气中进行,不需要特殊的气体保护或除尘措施,大大地减小了制作难度,减少了制作成本。
附图说明
图1a和图1b分别为加入阳极界面层前后器件平衡时的能带示意图。
图2为在ITO上沉积不同界面以及裸ITO的光透射率图。
图3为ITO/CdTe/Al与ITO/Au/CdTe/Al两种结构器件的J-V特性。
图4为ITO/CdTe/Al与ITO/Au/CdTe/Al两种结构器件性能衰减曲线。
图5为本发明所得阳极界面修饰的碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述,但本发明的实施方式不限于此,对于未特别注明的工艺参数,可参照常规技术进行。
一、所用ITO导电玻璃是从深圳南玻公司购买,大小为边长15mm的正方形,厚度约为130nm。方块电阻小于20Ω/□,可见光范围内透明度大于85%。由于ITO导电玻璃表面的污染物会对随后旋涂活性层的成膜影响非常大,进而对器件的性能产生严重影响,因此ITO导电玻璃的清洗是整个发明至关重要的一步。依次用丙酮、微米级半导体专用洗涤剂、去离子水、异丙醇超声处理10分钟清洁ITO衬底表面,随后放入恒温烘箱中80℃下烘干。
二、阳极界面层材料的制备:
当选用Au或MoOX(x值为2~3)作为阳极界面层材料时,将洗净烘干好的ITO基片传入DM-300B型真空镀膜仓内镀,开启机械泵和分子泵,当镀腔内达到3×10-4Pa的高真空以后开始蒸镀Au或MoOX,蒸速率与厚度由石英振子膜厚监测仪实时监控,蒸镀速率为当选用C60作为阳极界面层材料时,C60阳极界面层通过溶液加工制得,将C60溶解于对二甲苯里,获得浓度为5mg/ml的紫色溶液,将该溶液以不同转速旋涂在ITO基片上,以获得不同厚度的C60薄膜,经200℃加热20分钟,最后制得均匀、透光性好的C60薄膜。镀有界面层的衬底用氧等离子体处理4分钟,利用微波下形成的臭氧强氧化作用除掉其上吸附的灰尘颗粒等,同时还可以利用氧离子的高速碰撞起到改善表面形貌和提高基底功函数的作用。
三、合成的CdTe纳米晶(S.Sun,H.M.Liu,Y.P.Gao,D.H.Qin,J.Materials.Chemistry.,2012,517,6853–6856.)溶解在吡啶、正丙醇(体积比为1:1)的混合溶剂中,浓度为30~50mg/mL。超声处理20分钟,使得纳米晶分散更均匀。之后使用0.45μm的滤头过滤,除去较大的团聚纳米晶。将纳米晶旋涂在镀有阳极界面层的衬底上,然后将其放在加热台上150℃热处理2min,除去残余的溶剂。之后马上将其浸入到约60℃的饱和氯化镉甲醇溶液中约10秒钟,再取出浸入正丙醇,去除多余的CdCl2,再用氮***吹干。将基片放在加热台上350℃热处理40s,之后将其放在150℃的加热台上,防止温度骤降导致的应力过大。然后用60℃热甲醇溶液洗去表面残留的CdCl2,重复以上步骤,直至获得600nm左右厚度的CdTe薄膜。随后,将制备好基片传入真空镀膜仓内,当镀腔内达到3×10-4Pa的高真空以后开始蒸镀Al膜,厚度为80-120nm。电极蒸镀完后得到“六指”型小型器件,即阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池(其结构如图5所示)。“拇指”对应阳极,其余各条为待测器件,每条器件面积由掩膜板与ITO的重叠面积决定,本发明的器件有效面积为0.16cm2。为显示本发明所采用的界面层对器件起到了阳极修饰的作用上,我们采用常规结构(ITO/CdTe/Al)器件作为对照例。
常用的AM1.5G测量标准的辐射照度是100mW/cm2。当用太阳模拟光进行太阳电池性能测试时,首先要用标准电池确定光源是否符合AM1.5G的辐照度。标准硅太阳电池校准:在AM1.5G标准光谱照射下,得到的短路电流为125mA。确定辐照强度后,即可对器件进行测试。太阳电池的光电转换效率公式为:
η = P MAX P in = ( IV ) MAX / S P in × 100 ( % )
其中PMAX为最大输出功率(单位:mW),Pin为辐射照度(单位:mW/cm2),S为器件的有效面积(单位:cm2)。测量太阳电池性能的设备装置如表1所示。
表1设备装置列表
实施例1不同厚度MoOX对器件性能的影响
根据肖特基理论,要使P型的碲化镉与阳极形成稳定的欧姆接触,阳极的功函数必须高于活性层碲化镉的功函数。然后阳极ITO的功函数只有4.7,而活性层CdTe的功函数约为5.1~5.3,当两种材料相接触时,电子将会从低功函(ITO)一边流向另一边(CdTe)直到费米能级相平。从而,阳极ITO将带有少量正电荷而高功函材料CdTe则会变得具有少量电负性。最终在界面处形成一个内建电场,导致半导体界面处能带向下弯曲,影响空穴提取与收集,如图1a所示。反之,在阳极与活性层之间增加一层高功函阳极界面材料,可以有效地提高阳极功函数,使得半导体界面能带向上弯曲,阻挡电子往阳极传输,增加空穴传输与收集,实现界面欧姆匹配,提高器件性能,如图1b所示。选用图5所示的器件结构,采用MoOX(x值为2~3)(功函数约为5.3eV)作为阳极界面层,厚度分别为1nm、2nm、5nm、10nm,CdTe纳米晶为光活性层,制备了ITO/MoOX/CdTe/Al肖特基结太阳电池。表2比较了不同厚度MoOX作为阳极界面层的太阳电池与器件结构为ITO/CdTe/Al常规器件的太阳电池的性能。
由表2可以看出,与常规器件相比,一定厚度的MoOX可以提高开路电压和能量转换效率,尤其当MoOX厚度为2nm时,提升幅度较为明显,总的效率由4.05%提升到4.5%。随着MoOX厚度增加,电流反而降低,效率也随之减小。原因是阳极界面层的本体电阻是器件串联电阻的组成部分之一,MoOX本身电导率较低,随着薄膜厚度增加,器件的总体串联电阻增大,器件短路电流减小。由表2可见,MoOX厚度过薄时,会产生较大的界面粗糙度,而粗糙的阳极衬底会引起衬底表面电场分布不均,偏压依赖的载流子复合损失会变得严重,致使器件性能变差。因而得出结论,本发明中采用MoOX作为阳极界面层可以有效地改善器件性能,其厚度优化为2nm。
表2
实施例2不同厚度Au对器件性能的影响
重复实施例1,选用高功函金属Au(功函数为5.1eV)作为阳极界面层,厚度分别为0.5nm、1nm、2nm,其它条件不变。实验结果总结于表3。
由表3可以看出,Au的加入明显提高了开路电压和填充因子,尤其以1nmAu的器件优化效果最好,开路电压和填充因子分别提升了22%和39%,总体效率由4.3%提升到5.3%。由于Au在可见光范围内具有较大的吸收,随着Au的厚度增加,活性层光的吸收会减少,电流会持续降低。较之于0.5nmAu,1nmAu的加入可以形成更加均匀致密的岛状Au,充分地实现阳极ITO与活性层CdTe之间欧姆匹配,获得更大的开路电压。表明本发明提出的Au作为阳极界面层具有改善器件性能的重要作用,并且1nmAu的界面修饰效果优于其他厚度。
表3
实施例3不同厚度C60对器件性能的影响
重复实施例1,选用C60(费米能级为-5.4eV)作为阳极界面层,厚度分别为1nm、2nm、5nm,其它条件不变。结果总结于表4。
由表4可以看出,以C60作为阳极界面层的肖特基结太阳电池,与不包含阳极界面层的器件结构相比,虽然能量转化效率并没有明显提升,但是1nm和2nmC60的加入都能提高开路电压。相对来说,2nmC60的开路电压提升幅度更大。表明本发明提出的加入C60作为阳极界面层可有效地降低阳极接触势垒,增加空穴传输与提取,增大开路电压。
表4
实施例4不同界面(MoOX、C60、Au)对器件性能的影响
由实施例1、2、3可知,MoOX、C60、Au作为阳极界面层都能够起到改善器件性能的作用,由以上结果我们确定其最优厚度分别为2nm、2nm、1nm。为***地比较不同界面的器件优化效果,我们分别采用2nmMoOX(x值为2~3)、2nmC60和1nmAu作为阳极界面层,制备CdTe纳米晶肖特基结太阳电池。结果汇总于表5。
由表5可以看出,界面层的加入都有效地提高了器件的开路电压,尤其是加入1nmAu之后,开路电压提升幅度最大,由480mV提升至650mV,填充因子也由51%提升到64%,短路电流降低较为明显,但总体光电转换效率由4.4%提升至5.3%。相对来说,MoOX、C60的加入并没有明显提升器件光电转换效率。
图2比较了在ITO上沉积不同界面的光透过率,其中在ITO/1nmAu以及ITO/2nmC60在可见光范围内的透射率下降较为明显,因而影响活性层的光吸收,进而导致短路电流下降。由于C60具有高的载流子迁移率、超大的理论比表面积以及优良的导电性,因而相对来说,电流下降幅度略微减小。而ITO/2nmMoOX与ITO本身的光透过率相当。
图3比较了ITO/CdTe/Al和ITO/Au/CdTe/Al两种结构的J-V曲线(AM1.5G模拟太阳光100mW/cm2)。可以看出,Au的加入可以有效地改善J-V曲线的Roll-over现象,增强了器件二极管特性。
图4比较了ITO/CdTe/Al和ITO/Au/CdTe/Al两种结构器件的光电转换效率衰减特性,发现ITO/Au/CdTe/Al器件的效率随时间流逝下降较慢,表明本发明可以减缓器件性能衰减,具有更好的器件稳定性和寿命。
表5
器件结构 Voc(V) Jsc(mA/cm2) FF(%) PCE(%)
ITO/CdTe/Al 0.48 17.8 51 4.4
ITO/1nmAu/CdTe/Al 0.65 12.7 64 5.3
ITO/2nmMoO3/CdTe/Al 0.51 18 49 4.5
ITO/2nmC60/CdTe/Al 0.55 16 47 4.1
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池,其特征在于,所述太阳电池由上到下依次由玻璃衬底、阳极、阳极界面层、光活性层和阴极构成;所述光活性层为CdTe纳米晶。
2.根据权利要求1所述的阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池,其特征在于:所述阳极为氧化铟锡导电膜、掺氟二氧化锡导电膜、金属膜和金属氧化物薄膜中的至少一种,所述阳极厚度为80~200 nm。
3.根据权利要求1所述的阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池,其特征在于:所述阳极界面层为Au、MoOX或C60三种材料中一种以上,厚度为0.5~10 nm;所述MoOX中x值为2~3。
4.根据权利要求1所述的阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池,其特征在于:所述的光活性层厚度为400~700nm。
5.根据权利要求1所述的阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池,其特征在于:所述的光活性层厚度为500~600 nm。
6.根据权利要求1所述的阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池,其特征在于:所述的阴极为Ag或者Al,其厚度为80 ~120 nm。
7.制备权利要求1~6任一项所述阳极界面修饰高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池的方法,其特征在于,包括如下步骤:
①将附着有阳极的玻璃衬底清洗,干燥;
②采用真空蒸镀或溶液加工的方式在阳极表面沉积阳极界面层;
③采用溶液加工法在阳极界面层上制备光活性层;
④采用真空蒸镀法在光活性层上镀上阴极Al或Ag;
⑤制备好的器件采用环氧树脂固化封装,得到一种阳极界面修饰的碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,步骤③的具体制备方法为:采用溶剂热法制备得到碲化镉纳米晶,溶解于有机溶剂得到黑色溶液,即CdTe纳米晶溶液,将上述溶液经旋涂、刷涂、喷涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印方式沉积在阳极界面层上,得到碲化镉纳米晶;所述光活性层由多层碲化镉纳米晶叠加而成。
9.根据权利要求7所述的方法,其特征在于:所述的有机溶剂为极性有机溶剂,包括正丙醇、奈啶、吡啶、甲基吡啶、苯甲醇或体积分数为1:1的吡啶/正丙醇混合溶液,所述CdTe纳米晶溶液浓度为1~1000 mg/mL。
CN201410318165.3A 2014-07-04 2014-07-04 一种阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池及其制备方法 Pending CN104241411A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410318165.3A CN104241411A (zh) 2014-07-04 2014-07-04 一种阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410318165.3A CN104241411A (zh) 2014-07-04 2014-07-04 一种阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104241411A true CN104241411A (zh) 2014-12-24

Family

ID=52229158

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410318165.3A Pending CN104241411A (zh) 2014-07-04 2014-07-04 一种阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104241411A (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107579123A (zh) * 2017-08-31 2018-01-12 华中科技大学 一种硒化锑薄膜太阳能电池及其制备方法
CN107919403A (zh) * 2017-10-31 2018-04-17 华南理工大学 一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池及其制备方法
WO2018176881A1 (zh) * 2017-03-31 2018-10-04 华南理工大学 一种半透明太阳电池器件及应用
CN109065734A (zh) * 2018-08-16 2018-12-21 东南大学 一种抗辐照的钙钛矿太阳能电池
CN112086541A (zh) * 2020-03-20 2020-12-15 苏州光汇新能源科技有限公司 N型太阳能电池的后处理方法
CN112531173A (zh) * 2019-09-17 2021-03-19 宁德新能源科技有限公司 金属箔处理工艺、电极极片及电化学装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090194165A1 (en) * 2008-01-31 2009-08-06 Primestar Solar, Inc. Ultra-high current density cadmium telluride photovoltaic modules
CN101997085A (zh) * 2010-10-12 2011-03-30 北京交通大学 一种反型结构的有机小分子太阳能电池
CN103066209A (zh) * 2013-01-15 2013-04-24 陈卫兵 一种太阳电池及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090194165A1 (en) * 2008-01-31 2009-08-06 Primestar Solar, Inc. Ultra-high current density cadmium telluride photovoltaic modules
CN101997085A (zh) * 2010-10-12 2011-03-30 北京交通大学 一种反型结构的有机小分子太阳能电池
CN103066209A (zh) * 2013-01-15 2013-04-24 陈卫兵 一种太阳电池及其制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘晓东: "通过界面修饰改善聚合物太阳能电池性能的研究", 《中国博士学位论文全文数据库》 *
孙诗: "溶液法加工碲化镉纳米晶太阳电池研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》, 31 December 2013 (2013-12-31) *
杨辉: "有机光电器件", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018176881A1 (zh) * 2017-03-31 2018-10-04 华南理工大学 一种半透明太阳电池器件及应用
CN107579123A (zh) * 2017-08-31 2018-01-12 华中科技大学 一种硒化锑薄膜太阳能电池及其制备方法
CN107919403A (zh) * 2017-10-31 2018-04-17 华南理工大学 一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池及其制备方法
CN107919403B (zh) * 2017-10-31 2021-07-16 华南理工大学 一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池及其制备方法
CN109065734A (zh) * 2018-08-16 2018-12-21 东南大学 一种抗辐照的钙钛矿太阳能电池
CN112531173A (zh) * 2019-09-17 2021-03-19 宁德新能源科技有限公司 金属箔处理工艺、电极极片及电化学装置
CN112086541A (zh) * 2020-03-20 2020-12-15 苏州光汇新能源科技有限公司 N型太阳能电池的后处理方法
CN112086541B (zh) * 2020-03-20 2022-07-26 苏州光汇新能源科技有限公司 N型太阳能电池的后处理方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ali et al. Advances in nanostructured thin film materials for solar cell applications
CN104124291B (zh) 一种钙钛矿太阳电池及其制备方法
CN108767118B (zh) 一种三元全聚合物太阳能电池
CN104659123B (zh) 化合物薄膜太阳能电池及其制备方法
CN104241411A (zh) 一种阳极界面修饰的高效碲化镉纳米晶肖特基结太阳电池及其制备方法
CN107123693B (zh) 一种基于溶液法加工的具有高透明窗口层材料的高效CdTe纳米晶太阳电池及其制备方法
CN104134720A (zh) 单源闪蒸法生长有机无机杂化钙钛矿材料及其平面型太阳能电池的制备方法
CN107919403B (zh) 一种高效硒碲化镉合金纳米晶太阳电池及其制备方法
CN104505423A (zh) 一种溶液法加工的倒置结构CdTe纳米晶异质结高效太阳电池及其制备方法
CN108123046A (zh) 一种钙钛矿/n型晶体硅叠层太阳电池及其制造方法
CN106601916B (zh) 基于异质结阴极缓冲层的有机太阳能电池及其制备方法
CN109980090A (zh) 一种高效三元有机太阳电池及其制备方法
Kanda et al. Facile fabrication method of small-sized crystal silicon solar cells for ubiquitous applications and tandem device with perovskite solar cells
CN103227287A (zh) 基于金属纳米粒子掺杂三端子并联聚合物太阳能电池及其制备方法
CN107359243A (zh) 一种三元共混有机聚合物太阳能电池器件
WO2021047673A1 (zh) 碲化镉太阳能电池及其制备方法
CN114335348B (zh) 一种pn异质结硒化锑/钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN111081883A (zh) 一种高效稳定的平面异质结钙钛矿太阳能电池及制备方法
CN107394044A (zh) 一种高性能透明导电电极和电子传输层的钙钛矿太阳电池及其制备方法
CN103280528B (zh) 一种聚合物太阳能电池
CN106409971A (zh) 一种具有体异质结结构的全溶液法加工的高效纳米晶太阳电池及其制备方法
CN112885967B (zh) 一种基于延迟荧光材料的双层有机太阳能电池及制备方法
CN109935652A (zh) 一种采用CdS/CdSe双电子受体层的高效CdTe纳米晶太阳电池及其制备方法
CN108695435A (zh) 一种基于超声波退火工艺的有机太阳能电池及其制备方法
CN105226195B (zh) 提高有机太阳能电池氧化锌电极性能的离子掺杂方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20141224