CN107123693B - 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 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了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。该太阳电池由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、窗口层、光活性层、阳极依次层叠构成。阴极界面层指ZnO，窗口层为掺杂有Mg、Sb、In、Al、Bi、Zr、Pb、Nb的TiO2或ZnS薄膜，光活性层由一层或多层CdTe纳米晶层组成；阴极指氧化铟锡导电膜、掺杂二氧化锡、金属膜和金属氧化物薄膜中的至少一种；阳极为Au；本发明的太阳电池采用溶液加工技术，实现太阳电池的超薄化，且性能优异，能量转换效率高达3.53%。该发明制备工艺简单，主要过程均可在普通的通风橱内溶液加工完成，且使用较低温度热处理，大大减少了制作成本。

Description

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
技术领域
本发明属于光电器件领域，具体涉及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。
背景技术
二十一世纪以来，化石能源经数十年的大规模开采使用，已濒于枯竭。工业革命至今，温室效应导致地球的平均温度上升了0.3～0.6℃，海平面上升了10～25cm。温室效应气体的主要成分是二氧化碳，而其中80％是由化石燃料的消耗产生的。可见，人类正遭遇能源短缺和环境恶化的双重危机。发展一种高效清洁的能源，是当今人类函待解决的问题。开发太阳能，是当今能源开采的必然趋势，因为太阳能正是符合上述条件的绿色能源。太阳能光伏发电，与传统的发电原理相比，具有不经过其他媒介，无转动部件，模块化结构，运行维护简易，建设周期短以及利用荒漠土地和建筑物屋顶资源等优点，是大规模开发利用太阳能的必由之路。
传统的晶硅电池，因其对原料和能源需求较大，成本居高不下，且能量回收期较长，性价比有待提高。近年来，薄膜电池以其成本低廉的绝对优势异军突起，主要包括硅基薄膜太阳电池、无机化合物薄膜电池(铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池、碲化镉(CdTe)太阳电池)和有机聚合物薄膜电池。其中，无机化合物薄膜太阳电池优点是能很好地与太阳光谱匹配、吸收系数较大、能量转换效率高。近期，美国的实验室制作的碲化镉薄膜太阳电池的能量转化效率达到了20.4％，与多晶硅太阳电池的最高转化效率非常接近。但是，其主要的制备方法是近空间升华法、真空蒸镀法、电化学沉积法、磁控溅射法等，真空或高温环境制约其成本的进一步降低。基于溶液法加工的无机纳米晶太阳电池，可以通过引入卷对卷溶液加工法，实现工业上低成本、大面积、轻重量、可弯曲薄膜太阳电池的制备，且能保持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的优点。纳米晶太阳电池是当前研究的一个热点。不仅如此，纳米晶材料可以通过调节晶粒的尺寸大小来进行带隙调控，实现单一材料多种带隙，这是聚合物材料无法比拟的优势。
2005年，Alivisatos(I.Gur，N.A.Fromer，M.L.Geier，A.P.Alivisatos，Science，2005，310，462.)研究小组开展了基于旋涂方法制备无机纳米晶太阳电池的研究。主要是借鉴了有机聚合物溶液成膜的方法，采用溶剂热法制备出和纳米晶分别作为给体和受体材料，采用旋涂的方法成功制备了结构为ITO/CdTe(100nm)/CdSe(100nm)/Al的全无机纳米晶太阳电池。其中作为给体层主要吸收太阳能产生的电子空穴对，作为受体层，用于传输电子，形成了典型的二极管器件结构。他们通过烧结处理改善晶面，减少缺陷态密度，从而减小串联电阻，增大开路电压。在标准AM1.5模拟太阳光照射下，其短路电流为13.2mA/cm2，开路电压为0.45V，填充因子为49％，转化效率为2.9％。其实，还可以通过减小和的失配率来进一步提高开路电压，从而提高光电转化效率。至此，溶液法加工全无机纳米晶太阳电池被广泛关注。
2010年，Anderson(J.D.Olson，Y.W.Rodriguez，L.D.Yang，G.B.Alers，S.A.Carter，Appl.Phys.Lett.，2010，96，242103.)研究小组开发了非铝金属电极，并研究了CdTe，CdSe层厚度对器件性能的影响，发现通过增加CdTe层的厚度可以获得较好的能量转化效率，但最好器件的转化效率也仅为2.6％。主要原因是薄膜的平整度不理想且仍存在大量的晶界和缺陷态，另外晶粒的尺寸也没有得到很好的控制。同年，Olson(J.D.0l son，Y.W.Rodriguez，L.D.Yang，G.B.Alers，S.A.Carter，Appl.Phys.Lett.，2010，96，242103.)研究小组制备了CdTe/Al肖特基太阳电池，其效率达到5％。他们指出CdCl2热处理使得CdTe晶粒长大，通过优化热处理条件消除量子限域效应，增强了对太阳光的吸收。但是这种肖特基太阳电池本身的结构存在一些问题限制了其效率的提高。即光是从阳极(透明电极ITO)一端射入的，而肖特基结在阴极端，电子传输过程中发生复合，扩散长度有限，不能全部被吸收。
2011年，Jasieniak(J.Jasieniak，B.工.MacDonald，S.E.Watkins，P.Mulvaney，Nano Lett.，2011，11，2856.)研究小组采用了全溶液层层叠加的方法，制备出CdTe/ZnO纳米晶太阳能电池，能量转换效率达6.9％。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，此外，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。
2013年，Donghuan Qin(Donghuan Qin，Yiyao Tian，Yi j ie Zhang，Yizhao Lin，Kuo Gao，J Nanopart Re s，(2013)15:2053)研究小组采用层层旋涂烧结加工法，首次成功制备出了ITO/ZnO-In/CdS/CdTe/MoOx/Ag倒置结构的无机纳米晶太阳电池，其效率达到了3.73％，是目前报道中同类器件的最高水平。他们采用倒置结构电池的设计，减小了光在器件里传播的路程，使入射光离p-n结更近，有利于载流子的收集，提高了对光的吸收效率。由溶胶法制备的ZnO-In，经旋涂烧结形成致密平滑的界面层，保证了CdS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。但是，器件在短波长范围的响应不佳，这是由于窗口层CdS对短波长的光响应较差，降低了活性层对短波长的利用，从而制约了转化效率的提高。
2014年，Troy K.Townsend(Troy K.Townsend，EdwardE.Foos.Phys.Chem.Chem.Phys，2014，16，16458)研究小组用溶液法成功制备了结构为ITO/CdSe/CdTe/Au的全溶液无机纳米晶太阳电池，其中采用全溶液法加工的ITO和Au电极的电池转化效率为1.7％，将溶液法制备的ITO电极换成商业的ITO电极转化效率为2.0％，将溶液法制备Au电极换成蒸镀法Au电极转化效率为1.3％，同时采用商业ITO电极和蒸镀法Au电极转化效率达到了3.8％。相对块体材料而言，纳米晶通常有较低的熔点，因而可以使用相对低的热处理温度，使利用ITO做电池的电极成为可能。虽然低功函数金属可以跟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。
对于正装碲化镉纳米晶异质结太阳电池而言，其器件结构由玻璃衬底、阳极及其缓冲层、光活性层和阴极依次层叠构成。这种活性层在ITO衬底上，n型层在最外层，存在一定的问题：活性层CdTe直接旋涂在ITO上，而光是从ITO的一侧入射，因此p-n结处于远离入射光的另一侧，对于载流子的分离和传输极为不利，光生载流子需要经过比较厚的活性层才能到达结区，在传输过程中就不可避免产生复合，从而降低了光吸收效率；另一方面，阴极主要采用Al等低功函数金属，这种金属容易氧化，且通常需要400℃温度热处理，而ITO在400℃高温下性能会下降，器件的稳定性就难以得到保证。寻找一种低温热处理方式是当务之急。
发明内容
针对以上问题，本发明提供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。
本发明的另一个目的是提供一种溶液法制备上述太阳电池的方法。
本发明的目的通过下述方案实现。
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，所述太阳电池由下到上依次由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、窗口层、光活性层和阳极叠层而成；所述窗口层的厚度为10～100nm，由一层或多层掺杂有Mg、Sb、In、Al、Bi、Zr、Pb、Nb的TiO2薄膜或者ZnS薄膜组成；所述光活性层为CdTe纳米晶层。
相比于传统的太阳电池由玻璃衬底、阳极及其缓冲层、光活性层、阳极组成，本发明的太阳电池为倒置结构，还增加了高透明窗口层。所述倒置结构能够保证异质结区靠近入射光入射面，保证了载流子的高效收集和分离。所述高透明窗口层能实现对电子的有效吸收及增加光活性层对太阳光的利用。
进一步优化的，所述阴极指氧化铟锡导电膜(FTO)、掺氟二氧化锡导电膜(ITO)、金属膜和金属氧化物薄膜中的至少一种，优选使用FTO，所用的FTO透明导电玻璃表面电阻15ohm/sq，透光率83％，厚度1.6mm。所述阴极的厚度为80～200nm。
进一步优化的，所述阴极界面层指ZnO薄膜，厚度为20～100nm。
进一步优化的，所述的高透明窗口层指TiO2或ZnS薄膜。TiO2和ZnS均为是透明的n型宽带隙半导体材料，TiO2的HOMO,LUMO能级分别为7.1eV和3.81eV，TiO2与CdTe纳米晶薄膜形成异质结，促使激子分离，TiO2的HOMO能级较深对空穴有阻挡作用，可防止空穴进入阴极，并促进电子的向阴极运动；由于TiO2的前驱体在FTO表面的浸润性不好，难以形成高质量的薄膜，所以在TiO2和FTO之间引入一层ZnO提高TiO2薄膜的质量；同时ZnO还可以充当阻挡层，防止由于TiO2层的缺陷造成CdTe和FTO直接接触。
进一步优化的，所述窗口层的制备包括以下步骤：将钛酸四丁酯溶于有机溶剂中，得到二氧化钛凝胶，再将掺杂物质加入二氧化钛凝胶中充分搅拌挥发得到掺杂二氧化钛凝胶，将掺杂二氧化钛凝胶经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、印刷(优选为丝网印刷)或喷墨打印方式沉积到阴极界面层上，得到窗口层；所述的有机溶剂指三乙醇胺，乙酸和无水乙醇中的一种或以上。形成窗口层所述掺杂药品包括醋酸镁、乙氧化锑、醋酸铟、醋酸铝、醋酸铋、乙氧化锆、醋酸铅、醋酸铌。
进一步优化的，所述的窗口层采用层层烧结处理法，即每次沉积成膜后，都需要对膜进行热处理，热处理为将所得的膜于加热台上400～500℃加热30～60min；进一步优选窗口层的厚度为40nm。
进一步优化的，所述光活性层的制备包括以下步骤：采用溶剂热法制备得到CdTe纳米晶，再溶解于有机溶剂中得到黑色溶液，即纳米晶溶液，将纳米晶溶液经旋涂、刷涂、喷涂、印刷(优选为丝网印刷)或喷墨打印方式沉积在窗口层上,之后浸入饱和的甲醇溶液处理,350℃高温处理一段时间,获得纳米晶单层,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,均匀致密的光活性层；所述光活性层由一层或多层碲化镉纳米晶叠加而成。
进一步优化的,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。
CdTe纳米晶参照文献(S.Sun,H.M.Liu,Y.P.Gao,D.H.Qin,J.Materials.Chemistry.，2012,517,6853一6856.)制备得到。
进一步优化的,所述光活性层厚度可以通过调节纳米晶的浓度、旋涂转速以及旋涂层数获得。
进一步优化的，所述光活性层的厚度为100～700nm，优选厚度为500～600nm，由多层纳米晶叠加而成。
所述阳极为Au或Al，厚度为80～200nm。Au是一种高功函金属，功函数5.1eV，可以与CdTe的HOMO能级相匹配，形成欧姆接触。进一步优化的，所述阳极指Au，厚度为20～100nm。
制备以上所述的一种基于溶液法加工的具有高透明窗口层材料的高效CdTe纳米晶太阳电池的方法，包括如下步骤：
(1)将附着有阴极的玻璃衬底清洗，干燥；
(2)采用溶液加工的方式在阴极表面沉积阴极界面层；
(3)采用溶液加工法在阴极界面层上制备窗口层；
(4)采用溶液加工法在窗口层上制备光活性层；
(5)采用蒸镀法在光活性层上蒸镀阳极，得具有高透明窗口层材料的高效CdTe纳米晶太阳电池。
在阴极基片上依次制备的阴极界面层、TiO2薄膜、CdTe薄膜均在常规的化学通风厨中进行，不需要任何的气体保护或者特别洁净措施。
本发明的机理为：
本发明太阳电池采用倒置结构，保证结区靠近入射光入射面，保证了载流子的高效收集和分离；阳极采用高功函数Au作为空穴收集电极，保证阳极的稳定性；采用溶液加工技术，制备得到CdTe超薄化层等，简化制备工艺。引入ZnO界面层，使TiO2薄膜均匀、致密、无针孔，防止上层的TiO2直接与FTO接触，减少漏电流的产生，最终提高器件的性能。引入TiO2高透明窗口层有效提高对电子的收集，实现与CdTe晶格更有效匹配，并提高电池器件的开路电压。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明太阳电池采用倒置结构，保证结区靠近入射光入射面，保证了载流子的高效收集和分离，可大幅提高倒置结构的碲化镉纳米晶异质结太阳电池的性能，能量转换效率达到3.53％。
(2)阳极采用Au作为空穴收集电极，防止了低功函数金属与活性层的直接接触，保证阳极的稳定性，延长纳米晶太阳电池的寿命。
(3)采用TiO2凝胶制备高透明窗口层有效提高载流子收集效率，提高器件性能。
(4)采用对太阳光谱(波长处于250～2400nm)具有10％以上的透射率的薄膜作为两端的阳极和阴极电极，实现透明或者半透明的太阳电池。
(5)本发明的太阳电池采用溶液加工技术，制备得到超薄化层，实现太阳电池的超薄化。
(6)本发明太阳电池的制备工艺简单、节省原料，容易实现大规模生产。
附图说明
图1为本发明具有高透明窗口层材料的高效CdTe纳米晶太阳电池的结构图。
具体实施方式
本发明的太阳电池由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、高透明窗口层、光活性层、阳极依次叠层而成(如图1所示)。在阴极和高透明窗口层之间加入阴极界面层以及采用了层层烧结工艺制备出CdTe纳米晶光活性层，所述阴极界面层是指ZnO层。阴极界面层不仅作为电子传输层，还增强了器件的电学性能，CdTe薄膜生长在蜂窝状高透明窗口层上提高电子收集面积，提高该异质结的电池性能。由于ZnO层的存在，原本收集空穴的FTO变为收集电子，入射光进入p-n结的光程缩短，有利于提高载流子的分离效率。另外，太阳电池倒置结构由于采用高功函数的金属(金)而使得器件的性能更加稳定。阴极界面层ZnO通过将前驱体材料溶于有机溶剂，制成溶胶，而后经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、印刷(丝网印刷)或喷墨打印方式沉积在FTO上形成阴极界面层；所述的高透明窗口层由sol-gel法制备，将钛酸四丁酯溶于有机溶剂，得到二氧化钛凝胶，再将掺杂药品加入二氧化钛凝胶充分搅拌挥发得到掺杂二氧化钛凝胶，将所述凝胶旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、印刷(丝网印刷)或喷墨打印方式沉积阴极界面层上，得到高透明窗口层；将CdTe纳米晶溶于有机溶剂，获得纳米晶分散液，而后经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、印刷(丝网印刷)或喷墨打印方式沉积在CdTe薄膜上，并通过层层CdCl2烧结的方法，获得光活性层；最后将阳极材料通过蒸镀方式沉积在CdTe薄膜上，形成阳极。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一、基于溶液法加工的具有高透明窗口层材料的高效CdTe纳米晶太阳电池的制备:
(1)FTO导电玻璃衬底的清洗:(规格为15毫米×15毫米，FTO的厚度为130nm,其方块电阻为20欧姆/方块，从珠海凯为电子元器件有限公司购买)将基片依次在甲苯、丙酮、半导体专用洗涤剂、去离子水、异丙醇中超声处理l0min，清洁FTO的衬底表面，随后将FTO片放入恒温烘箱中80℃下静置2h烘干。
(2)配置ZnO溶胶:将二水合醋酸锌(3.2925g)、乙醇胺(0.905m1)、乙二醇甲醚(30m1)装入三口瓶中，密封。保持80℃油浴加热2小时。(以上均为分析纯药品，从广州芊荟化学玻璃有限公司购买)，用0.45μm的过滤器过滤，装入玻璃瓶并充入氮气，即得到ZnO溶胶。
(3)阴极界面层的制备:将烘干后的FTO片置于匀胶机((KW-4A型)上，滴加步骤(2)制备得到的ZnO溶胶，经高速旋涂(3000rpm，时间20s)，刮掉阴极位置的ZnO层，放于加热台上，先200℃下热处理l0min，再400℃加热l0min，冷却至室温，分别置于丙酮和异丙醇中超声l0min(超声功率为1000W),氮***吹干，得到厚度为40nm的阴极界面层。
(4)高透明窗口层的制备：
①TiO2凝胶的制备：用量筒量取25ml无水甲醇，分别用注射器抽取4.25ml钛酸四丁酯和3.75ml三乙醇胺加入50ml烧杯中，搅拌2h，用塑料滴管加入5ml乙酸，5ml去离子水，加入适量乙氧化锑进行掺杂，继续搅拌24h，记录温度、湿度，在通风橱中挥发至凝胶态，得TiO2凝胶。(以上均为分析纯药品，从广州芊荟化学玻璃有限公司购买)
②将步骤(3)处理的基片置于匀胶机((KW-4A型)上，滴加上述TiO2凝胶，高速旋涂(速率为2500rpm，时间15s)，刮掉阴极位置的窗口层，放在加热台上500℃加热1h，置于异丙醇中超声8min,氮***吹干，放在加热台上用150℃处理l5min，得到厚度为40nm的高透明窗口层。
(5)光活性层的制备:
①CdTe纳米晶的制备:参照文献(S.Sun,H.M.Liu,Y.P.Gao,D.H.Qin,J.Materials.Chemistry.,2012,517,6853-6856.)，具体制备过程如下:称取十四酸镉(l.6mmo1,906mg),氧化三辛基磷2.35g十四酸(肉豆蔻酸，C13H26COOH,92mg)加入50m1的三口瓶(瓶口分别装有温度计、冷凝管、导气管)中，在氮气保护下加热至240℃，此时十四酸镉已分解(分解温度为228℃)，呈现淡黄色溶液。在此温度下保持5min，将三辛基磷一碲(碲的浓度为0.8mmo1/mL，取lml)迅速注入到反应体系(其中三辛基磷、氧化三辛基磷均购自阿拉丁化学试剂公司，其余购自芊荟化学玻璃有限公司)，整个反应在240℃下持续30min；然后通过甲醇清洗3次，离心分离产物；将产物加入20mL吡啶中，100℃下、氮气保护，回流l0h，回流结束后加入60ml正己烷溶剂，离心分离，最终产物用氮***吹干，得到CdTe纳米晶。
②将上述制备得到的CdTe纳米晶溶解在体积比为1:1的正丙醇/吡啶的混合溶剂中，浓度为0.04g/mL，超声2h(超声功率为1000W)，通过0.45m(有机系)的过滤器过滤，得CdTe纳米晶溶液。
将步骤(4)处理的基片置于匀胶机((KW-4A型)上，滴加上述CdTe纳米晶溶液，高速旋涂(速率为1100rpm，时间20s)，放在加热台上150℃加热3min除去有机溶剂，刮掉窗口层的纳米晶层，浸入150℃的CdCl2的饱和甲醇溶液中l0s，再浸入120℃的正丙醇中，以去除多余的CdCl2，用氮气吹干，放在350℃加热台上，热处理40s，再放在150℃加热台处理2min，浸入120℃甲醇中漂洗4s,氮***吹干，用400℃处理l5min，得到厚度为100nm的CdTe纳米晶层。重复旋涂5层，得到多层CdTe纳米晶。
(6)阳极的蒸镀:将步骤(5)所得基片放入真空镀腔中，3×10-4Pa的高真空下，蒸镀Au(80nm),得到阳极。
将所得器件进行封装处理，得到结构为FTO/ZnO/TiO2/CdTe/Au的倒置结构无机CdTe纳米晶异质结太阳电池(结构示意图见图1)。
二、CdTe纳米晶异质结太阳电池的性能测定:
太阳电池器件性能参数的测定要以太阳光为测试标准。实验室中用AM 1.5G测量标准的辐射照度是1000W/m2。当用太阳模拟光进行纳米晶太阳电池性能测试时，首先要用标准电池判断光源是否符合AM1.5G的辐照度。标准硅太阳电池经过校准:在AM 1.5G标准光谱下，即1000W/m2的辐射照度的光照射下，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。用太阳模拟光进行太阳电池性能测试，太阳电池的能量转换效率为:
Figure BDA0001269836530000081
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)。测量聚合物本体异质结太阳电池性能的设备装置如表1所示。
表1
Figure BDA0001269836530000082
实施例1
不同浓度乙氧化锑掺杂对CdTe纳米晶太阳电池的影响：
分别选用不掺杂、掺杂乙氧化锑浓度为3wt％、5wt％、8wt％的TiO2薄膜作为窗口层，TiO2热处理温度为500℃，ZnO定为40nm，碲化镉层定为500nm，CdCl2烧结温度定为400℃，烧结时间为15min，其它参数条件按照实施例1实施。
表2
Figure BDA0001269836530000091
表2比较了不同乙氧化锑掺杂浓度下碲化镉太阳电池的效率，可以看出掺杂3wt％时效率达到了最大值，之后继续加大掺杂浓度效率变化不大。
实施例2
不同CdCl2烧结温度对CdTe纳米晶太阳电池的影响
分别选用370℃、380℃、390℃、400℃为CdCl2烧结温度，TiO2热处理温度为500℃，ZnO定为40nm，碲化镉层定为500nm，选用掺杂乙氧化锑浓度为3wt％的TiO2薄膜作为窗口层，烧结时间为15min，其它参数条件按照实施例1实施。
表2
Figure BDA0001269836530000092
表2比较了不同CdCl2烧结温度下碲化镉太阳电池的开路电压、短路电流、效率等方面的变化，可以看出随着加热温度在370℃到400℃变化过程中，太阳电池效率逐步提高，更高的热处理温度有利于CdTe纳米晶的生长并有效减少缺陷生成更加致密的晶格。
实施例3
不同CdCl2烧结时间对CdTe纳米晶太阳电池的影响
分别选用10min、15min、20min、30min为CdCl2烧结时间，TiO2热处理温度为500℃，ZnO定为40nm，碲化镉层定为500nm，选用掺杂乙氧化锑浓度为3wt％的TiO2薄膜作为窗口层，烧结温度为400℃，其它参数条件按照实施例1实施。
表3
Figure BDA0001269836530000101
表3比较了不同CdCl2烧结时间下碲化镉太阳电池的开路电压、短路电流、效率等方面的变化，从数据可以发现，15min的热处理时间下太阳电池效率明显优于其他处理时间，短于15min烧结时间内纳米晶颗粒处于未完全生长好的阶段，限制器件效率，超过15min的烧结时间后CdTe层材料与空气中的水氧产生反应影响了电池效率的进一步提升。
实施例4
不同掺杂物质对CdTe纳米晶太阳电池的影响：
分别选用掺杂乙氧化锑、醋酸铟、醋酸铝、乙氧化锆的TiO2薄膜作为窗口层，掺杂浓度为3wt％，热处理温度为500℃，ZnO定为40nm，碲化镉层定为500nm，烧结温度为400℃，15min，其它参数条件按照实施例1实施。
表4
Figure BDA0001269836530000102
Figure BDA0001269836530000111
表4比较了掺杂不同物质对CdTe太阳电池的影响，其中掺杂乙氧化锑的窗口层材料测得了性能最优异的电池器件。不同掺杂物质改变了TiO2窗口层的成膜特性，结构改变导致窗口层对电子收集效率相应改变。
实施例5
不同窗口层对CdTe纳米晶太阳电池的影响
分别选用TiO2薄膜、ZnS薄膜作为窗口层，掺杂浓度为3wt％的乙氧化锑，热处理温度为500℃，ZnO定为40nm，碲化镉层定为500nm，烧结温度为400℃，15min，其它参数条件按照实施例1实施。
表5
Figure BDA0001269836530000112
表5比较了两种不同材料作为窗口层时对电池器件的影响，不同材料经过处理后在ZnO薄膜上成膜形态差别以及与CdTe光活性层的晶格匹配影响了器件性能。
实施例6
不同窗口层厚度对CdTe纳米晶太阳电池的影响
分别选用厚度为20nm、40nm、60nm、80nm、100nm的TiO2薄膜作为窗口层，TiO2薄膜掺杂浓度为3wt％的乙氧化锑，热处理温度为500℃，热处理时间为1h，ZnO定为40nm碲化镉层定为500nm，CdCl2烧结温度定为400℃，烧结时间为15min，其它参数条件按照实施例1实施。
表6
Figure BDA0001269836530000121
表6比较了不同窗口层厚度对电池器件的影响，不同的窗口层厚度影响TiO2薄膜的界面形状从而影响对电子的收集。较薄的窗口层对电子吸收效率低，产生漏电流；较厚的窗口层影响对太阳光的利用，不利于提高效率。
实施例7
窗口层处理温度对CdTe纳米晶太阳电池的影响
分别选用400℃、450℃、500℃作为TiO2薄膜的热处理温度，TiO2薄膜掺杂浓度为3wt％的乙氧化锑，厚度40nm，热处理温度为500℃，时间为60min。ZnO定为40nm，碲化镉层定为500nm，烧结温度为400℃，15min，其它参数条件按照实施例1实施。
表7
Figure BDA0001269836530000122
表7比较了不同热处理下窗口层对电池器件的影响，因FTO导电玻璃厚度较大，需要较高的热处理温度使TiO2薄膜成膜更致密，因而提高电池器件效率。
实施例8
窗口层热处理时间对CdTe纳米晶太阳电池的影响
分别选用30min、40min、45min、55min、60min作为TiO2薄膜热处理时间、TiO2薄膜掺杂浓度为3wt％的乙氧化锑，厚度40nm，热处理温度为500℃，ZnO定为40nm，碲化镉层定为500nm，烧结温度为400℃，15min，其它参数条件按照实施例1实施。
表8
Figure BDA0001269836530000131
表8比较了不同窗口层热处理时间对电池器件的影响，随着热处理时间长度的增加，有效改变了电池效率，达到一定长度的热处理时间有利于薄膜的成膜从而提高窗口层对电子的吸收，减少漏电流的产生。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一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，其特征在于，所述太阳电池由下到上依次由玻璃衬底、阴极、阴极界面层、窗口层、光活性层和阳极叠层而成；所述窗口层材料由溶液法制备，采用层层烧结法沉积成膜，所述窗口层的厚度为10～100nm，由一层或多层掺杂有Mg、Sb、In、Al、Bi、Zr、Pb或Nb的TiO2薄膜组成；所述光活性层为CdTe纳米晶层；
所述窗口层的制备包括以下步骤：将钛酸四丁酯溶于有机溶剂中，得到二氧化钛凝胶，再将掺杂物质加入二氧化钛凝胶中充分搅拌挥发得到掺杂二氧化钛凝胶，将掺杂二氧化钛凝胶经旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂或印刷方式沉积到阴极界面层上，得到窗口层；
所述的有机溶剂指三乙醇胺，乙酸和无水乙醇中的一种或以上；所述掺杂物质为醋酸镁、乙氧化锑、醋酸铟、醋酸铝、醋酸铋、乙氧化锆、醋酸铅或醋酸铌；
所述的窗口层采用层层烧结处理法，即每次沉积成膜后，都需要对膜进行热处理，热处理为将所得的膜于加热台上400～500℃加热30～60min。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述阴极指氧化铟锡导电膜和掺氟二氧化锡导电膜中的至少一种，所述阴极的厚度为80～200nm。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述阴极界面层指ZnO薄膜，厚度为20～100nm。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述光活性层的制备包括以下步骤：采用溶剂热法制备得到CdTe纳米晶，再溶解于有机溶剂中得到黑色溶液，即纳米晶溶液，将纳米晶溶液经旋涂、刷涂、喷涂或印刷方式沉积在窗口层上，得CdTe纳米晶层；所述光活性层由多层碲化镉纳米晶叠加而成。
5.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述光活性层的厚度为100～700nm。
6.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述阳极为Au或Al，厚度为80～200nm。
7.制备权利要求1～6任一项所述的一种基于溶液法加工的具有高透明窗口层材料的高效CdTe纳米晶太阳电池的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将附着有阴极的玻璃衬底清洗，干燥；
（2）采用溶液加工的方式在阴极表面沉积阴极界面层；
（3）采用溶液加工法在阴极界面层上制备窗口层；
（4）采用溶液加工法在窗口层上制备光活性层；
（5）采用蒸镀法在光活性层上蒸镀阳极，得具有高透明窗口层材料的高效CdTe纳米晶太阳电池。
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