光伏材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能電池領(lǐng)域，尤其是涉及一種光伏材料及其制備方法和在太陽能電池中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，太陽能電池材料的發(fā)展逐漸由以晶體硅為代表的第一代太陽能電池，向更低成本的第二代薄膜太陽能電池發(fā)展。以晶體硅為代表的第一代太陽能電池和第二代的薄膜太陽能電池的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟。然而這兩類電池均采用單個能隙吸收太陽能，能量低于能隙的光子無法得以利用(圖1左2過程)，同時能量高于能隙的光子的能量又無法完全得以轉(zhuǎn)化(圖1左3過程)，所以根據(jù)Shockley-Queisser理論，極限轉(zhuǎn)化效率只能達到31%。
[0003]第三代太陽能電池的研宄，突破傳統(tǒng)單能隙吸收材料采用單個能隙吸收太陽能對光利用率較低的缺點，通過新型的材料或者器件來拓寬太陽光吸收光譜，中間帶材料太陽能電池是其中的典型代表(圖1右所示)。如今對中間帶太陽能電池的研宄多依托于較為成熟的第一代、第二代太陽能電池材料。為了達到最大的轉(zhuǎn)化效率，單能隙材料和中間帶材料對能隙大小有著不同的要求。單帶隙材料的最佳能隙在1.1eV左右，而中間帶材料的最佳能隙應(yīng)該在2.0eV左右。因此硅(Si)以及砷化鎵(GaAs)材料由于能隙較小(Si約為
1.12eV，GaAs約為1.5eV)，不適合作為中間帶電池材料。
[0004]以銅銦鎵砸為代表的銅基半導(dǎo)體材料，其制造工藝已經(jīng)日趨完善，是理想的第二代薄膜太陽能材料。然而銦和鎵元素成本較高，因此對寬帶銅基材料中間帶摻雜改性以降低成本、增加效率，具有非常重大的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于此，有必要提供一種成本低且能作為雜質(zhì)中間帶材料的光伏材料及其制備方法和在太陽能電池中的應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明提供一種光伏材料，分子式為CuAl(1_y)Se(2_y)X2y，具有類似CuAlSeJ^正方晶系黃銅礦型結(jié)構(gòu)，X替代部分Al和Se原子的晶格位置，y = 0.05?0.2，并且X為第V族元素。上述材料可以同時吸收近紅外和可見波段的太陽光。使用該新型材料作為吸收層制作光伏器件時，既可以具有寬禁帶半導(dǎo)體的高電壓特性，也具有窄禁帶材料的高電流特性，從而使得光伏器件具有更高轉(zhuǎn)化效率。另外上述光伏材料不含銦和鎵，降低了成本。
[0007]本發(fā)明提供一種太陽能電池材料，包括上述分子式為CuAl(1_y)Se(2_y)X2j^光伏材料。與單帶隙(帶隙寬度約為2.7eV)的CuAlSe2中相比，上述光伏材料具有2.5eV左右的能隙，由于中間帶的存在，由其制備的太陽能電池，理論效率達48%。
[0008]本發(fā)明還提供了上述光伏材料的制備方法，通過共蒸發(fā)法，在高溫條件下，將X元素、銅、銷、砸的蒸發(fā)靶材加熱蒸發(fā)沉積成CuAl (1_y)Se(2_y)X2$伏材料。該制備方法基于傳統(tǒng)銅基半導(dǎo)體材料制備方法，工藝簡單，經(jīng)濟有效。
【附圖說明】
[0009]圖1為單能隙材料與中間帶材料的能帶對比圖；
[0010]圖2為CuAlSed^晶體單胞結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖3為當X取代CuAlSe2的部分Al原子和Se時原子的晶體超單胞結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖4為CuAl(1_y)Se(2_y)X2y材料中X為P元素時形成的雜質(zhì)中間帶的位置圖和帶寬；
[0013]圖5為CuAl(1_y)Se(2_y)X2#料中X為As元素時形成的雜質(zhì)中間帶的位置圖和帶寬；
[0014]圖6為CuAl(1_y)Se(2_y)X2#料中X為Sb元素時形成的雜質(zhì)中間帶的位置圖和帶寬；
[0015]圖7為雜質(zhì)中間帶太陽能電池的結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖8為蒸鍍樣品時的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，通過對傳統(tǒng)的單能隙半導(dǎo)體銅鋁錫晶體基底摻雜，得到一種新的“中間帶太陽能電池”的光伏材料，中間帶材料存在如圖1右所示的特殊能帶結(jié)構(gòu)，從而可以吸收更寬波段的太陽能，其理論轉(zhuǎn)化效率極限可達42 %，在聚光條件下可高達63%。中間帶太陽能電池能夠在不改變電池開路電壓的同時，提高電池的短路電流，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。理論研宄表明，中間帶材料的費米面需要穿過中間帶，因此中間帶材料的態(tài)密度必須足夠大，才能使有害的摻雜雜質(zhì)帶變?yōu)橛欣谕貙捨詹ㄗV的中間帶。優(yōu)選地，采用銅基材料作為基底，元素豐度較大且工藝較為完善，可以大大降低原料及制造成本。
[0018]—實施方式的光伏材料，分子式為CuAl(1_y)Se(2_y)X2y，具有類似CuAlSe2的正交晶系黃銅礦型結(jié)構(gòu)，X替代部分Al原子和Se原子的晶格位置，y = 0.05?0.2，并且X為第V族元素。
[0019]上述光伏材料，X同時取代Al和Se的晶格位置，將在能隙中合適的位置產(chǎn)生高態(tài)密度的中間帶，形成的中間帶能級相對較深，中間帶差不多處于禁帶中央，將原來的禁帶分割為兩個帶隙合適的能帶，有利于提高光吸收，用于太陽能電池可提高能量轉(zhuǎn)化效率。另外上述光伏材料不含銦和鎵，降低了成本。
[0020]特別的，替代Al原子和替代Se原子晶格位置的X原子比例為1:1。由于P對Al和Se的取代產(chǎn)生不同電性的離子，取代Al和Se的位置會傾向于相互靠近形成穩(wěn)定的取代對，因此替代Al原子和替代Se原子晶格位置的X原子比例為1: 1，同時穩(wěn)定的取代對有助于高濃度摻雜材料的形成。
[0021]優(yōu)選的，元素X為P、As和Sb中的至少一種。優(yōu)選的，y = 0.05?0.15。
[0022]單能隙半導(dǎo)體過共價鍵結(jié)合，有一定離子鍵成分，結(jié)構(gòu)如圖2所示。CuAlSe2為直接帶隙半導(dǎo)體，室溫禁帶寬度2.70eV，晶格常數(shù)為0.5603nm，一般為p型材料，空穴迀移率I X 10_4m2/ (V.s)。
[0023]參閱圖3，CuAl(1_y)Se(2_y)X2y的晶格結(jié)構(gòu)類似于以元素X取代CuAlSe 2的部分Al原子和Se原子的晶格位置，CuAl(1_y)Se(2_y)X2y同樣具有類似CuAlSe 2的正方晶系黃銅礦型結(jié)構(gòu)，具有雜質(zhì)中間帶，室溫禁帶寬度2.50eV左右。
[0024]上述光伏材料的制備過程中，采用不同的化學(xué)配比，會在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生不同的雜質(zhì)相。通過精確地化學(xué)配比可以產(chǎn)生特定雜質(zhì)相。從而制造特別的功能材料。根據(jù)計算得知，當Al和Se有著1: 2的準確配比的條件下，摻雜的P將可以同時取代Al和Se原子，由于P對Al和Se的取代產(chǎn)生不同電性的離子，取代Al和Se的位置會傾向于相互靠近形成穩(wěn)定的取代對，這將有助于高濃度摻雜材料的形成。這一取代產(chǎn)生的效果是在原來的能隙中形成新的中間帶。中間帶的態(tài)密度由P的摻雜濃度決定。特別地，較為合理的摻雜濃度為5%到20%之間。
[0025]圖4-6分別為CuAl(1_y)Se(2_y)X2yM料中X為P/As/Sb不同元素時形成中間帶的位置圖，圖中橫坐標代表能量，縱坐標代表態(tài)密度(Density of states)，其中a，b, c分別代表 CuAl(1_y)Se(2_y)X2j^i|.中的 X 為 P、As、Sb。
[0026]由圖4-6可以看出，X只替代部分Al原子或只替代部分Se原子的晶格位置，不能形成合適的中間帶能級，只有在X同時取代Al和Se的晶格位置，才能在能隙中合適的位置產(chǎn)生高態(tài)密度的中間帶，形成的中間帶能級相對較深，中間帶差不多處于禁帶中央，將原來的禁帶分割為兩個帶隙合適的能帶。
[0027]特別地，當X為 P 時 CuAl(1_y)Se(2_y)X2j.^!.具有 0.75eV、l.45eV 和 2.2eV 三種帶隙；當 X 為 As 時，CuAl(1_y)P(2y)Se(2_y)材料具有 0.6eV、l.7eV 和 2.3eV 三種帶隙；當 X 為 Sb 時，CuAl(1_y)Se(2_y)X2^料具有 0.9eV、L 8eV 和 2.7eV 三種帶隙。
[0028]上述光伏材料引入雜質(zhì)中間帶，拓寬了對太陽光的吸收光譜，可同時吸收近紅外和可見波段的太陽光。使用該新型光伏材料作為吸收層制作光伏器件時，既可以具有寬禁帶半導(dǎo)體的高電壓特性，也具有窄禁帶材料的高電流特性，從而使得光伏器件具有更高轉(zhuǎn)化效率。
[0029]參閱圖7，一實施方式的太陽能電池，包括依次層疊的金屬柵極、減反射層、窗口層、過渡層、光吸收層、空穴傳輸層、鉬電極、玻璃襯底。其中，光吸收層的材料為上述的C