技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太陽能電池領(lǐng)域，特別涉及一種CZTS太陽能電池。

背景技術(shù)：

當前太陽能電池發(fā)展的主要目標是低成本，高轉(zhuǎn)換效率，制造工藝簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。目前研究較多的CdTe、CuInGaSe₂（銅銦鎵硒）等直接帶隙結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池雖然具有高的吸收系數(shù)和轉(zhuǎn)換效率、能減少材料的使用、節(jié)約成本，但是Cd、Se的毒性，以及稀有金屬In和Ga的使用，限制了這些電池的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。Cu₂ZnSnS₄（銅鋅錫硫，以下簡稱CZTS）薄膜太陽能電池越來越受到人們的關(guān)注。

CZTS太陽能電池具有以下優(yōu)點：（1）禁帶寬度為1.50ev左右，滿足半導體太陽能電池所需的最佳禁帶寬度1.4~1.6ev；(2)在紫外-可見波段具有寬的吸收帶，吸收系數(shù)高達104cm^-1；(3)組成元素銅、鋅、錫、硫地球儲量豐富，不含貴金屬In、Ga等；（4）不含有毒元素Cd、Se等，符合綠色能源的環(huán)境要求；（5）與CIGS（CuIn_(1-x)Ga_xSe₂的簡稱）相似，有高的轉(zhuǎn)換效率，理論轉(zhuǎn)換效率達到32.2%。故CZTS已成為替代CIGS吸收層的最佳材料。

2010年以部分硒化的CZTS太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率達到9.6%，2012年Solar Frontie轉(zhuǎn)換效率達到的11.1%，2014年最高效率達到12.6%。但是與CIGS的20.5%轉(zhuǎn)換效率相比，CZTS太陽能電池轉(zhuǎn)換效率還有很大差距。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和問題，提出了一種具有較高的轉(zhuǎn)換效率的CZTS太陽能電池。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種CZTS太陽能電池，包括層疊設(shè)置的基板、阻擋層、導電背電極層、吸收層、緩沖層、窗口層、透明導電層，其特征在于：所述吸收層為CZTS可調(diào)帶隙吸收層，所述CZTS可調(diào)帶隙吸收層中Cu/(Zn+Sn)的原子百分比在0.8~0.95之間，Zn/Sn的原子百分比在1.0~1.5之間。

優(yōu)選地，該CZTS太陽能電池包括依次層疊的三層所述吸收層，第一層吸收層的厚度為100~200nm，層疊在第一層吸收層上的第二層吸收層的厚度為800~1500nm，層疊在第二層吸收層上的第三層吸收層的厚度為50~100nm，所述緩沖層層疊在第三層吸收層上。

優(yōu)選地，所述吸收層采用預(yù)先配置的圓柱靶在400~600℃通過交流磁控濺射生成。

優(yōu)選地，該CZTS太陽能電池還包括層疊在所述導電背電極層上的鈉摻雜層以及層疊在所述鈉摻雜層上的鈉保護層，所述鈉摻雜層中鈉的質(zhì)量百分比為0.01~0.15%。

更優(yōu)選地，所述鈉摻雜層由鈉質(zhì)量百分比為0.1~3%的鉬鈉靶材通過直流磁控濺射生成，所述鈉保護層由鉬層通過直流磁控濺射生成。

優(yōu)選地，所述阻擋層有Ti/Zr靶材通過直流磁控濺射生成，所述導電背電極層采用鉬層，直流磁控濺射生成。

優(yōu)選地，所述緩沖層由ZnS靶材通過直流磁控濺射生成。

優(yōu)選地，所述窗口層由ZnO靶材通過磁控濺射生成。

優(yōu)選地，所述透明導電層由摻雜質(zhì)量百分比為1~3%鋁的ZnO靶材通過磁控濺射生成。

優(yōu)選地，該CZTS太陽能電池由依次層疊的基板、阻擋層、導電背電極層、鈉摻雜層、鈉保護層、第一吸收層、第二吸收層、第三吸收層、緩沖層、窗口層以及透明導電層構(gòu)成，其中，所述基板的厚度為30~80μm；所述阻擋層的厚度為500~1500nm；所述導電背電極層的厚度為20~100nm；所述鈉摻雜層的厚度為20~100nm；所述鈉保護層由鉬層通過直流磁控濺射生成，所述鈉保護層的厚度為20~100nm；所述第一層吸收層的厚度為100~200nm；所述第二層吸收層的厚度為800~1500nm；所述第三層吸收層的厚度為50~100nm；所述緩沖層的厚度為20~100nm；所述窗口層的厚度為20~90nm；所述透明導電層的厚度為300~600nm。

本發(fā)明采用以上方案，相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點：

吸收層中Cu/(Zn+Sn)的原子百分比在0.8~0.95之間，Zn/Sn的原子百分比在1.0~1.5之間，采用V型帶隙結(jié)構(gòu)，改善開路電壓和短路電流，從而提高CZTS太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明的一種CZTS太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為本發(fā)明采用的吸收層的帶隙情況示意圖。

上述附圖中，

1、基板；2、阻擋層；3、導電背電極層；4、鈉摻雜層；5、鈉保護層；6、第一層吸收層；7、第二層吸收層；8、第三層吸收層；9、緩沖層；10、窗口層；11、透明導電層。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解。

參照附圖1所示，本發(fā)明提供的一種CZTS太陽能電池由多層薄膜層疊構(gòu)成，具體由自下至上依次層疊的基板1、阻擋層2、導電背電極層3、鈉摻雜層4、鈉保護層5、第一層吸收層6、第二層吸收層7、第三層吸收層8、緩沖層9、窗口層10以及透明導電層11構(gòu)成。上述隔層薄膜可通過物理或化學方法成膜，如磁控濺射成膜、CVD、PVD等。下面以磁控濺射成膜為例對本發(fā)明的CZTS太陽能電池進行詳細說明。

基板1采用不銹鋼（SUS430/SUS316/SUS304）、玻璃、硅片等材料，厚度在30~80um；阻擋層2采用Ti/Zr，直流磁控濺射500~1500nm；導電背電極層3采用的是鉬層，直流磁控濺射200~500nm；鈉摻雜層4采用純度為0.1%~3%（鈉的質(zhì)量百分比）的鉬鈉靶材，直流磁控濺射20~100nm；鈉保護層5采用的是通過鉬層來實現(xiàn)，直流磁控濺射20~100nm；第一層吸收層6、第二層吸收層7以及第三層吸收層8均為CZTS可調(diào)帶隙吸收層，采用的是按元素比例事先配置好的圓柱靶，Cu/(Zn+Sn)的原子百分比在0.8~0.95之間，Zn/Sn的原子百分比在1.0~1.5之間，帶隙情況如附圖2所示，在400~600℃溫度下，交流磁控濺射厚度分別為100~200nm、800~1500nm、50~100nm。緩沖層9采用的ZnS靶材，直流磁控濺射20~100nm，窗口層10采用的是ZnO靶材，磁控濺射20~90nm；透明導電層11是采用摻了質(zhì)量百分比為1%~3%鋁的ZnO靶材，磁控濺射300~600nm。

本發(fā)明中：1）CZTS可調(diào)帶隙吸收層引入V型帶隙的設(shè)計結(jié)構(gòu)來提高電池的效率；第一層吸收層6背面增加帶隙寬度可以加強電池的背電場，從而減小了少數(shù)載流子復(fù)合的可能性，從而改善了電池的開路電壓Voc；由于帶隙的增寬，能量小的長波段無法吸收，降低第二層吸收層7禁帶寬度Eg2，有利于長波段光的吸收；第三層吸收層8提高了異質(zhì)結(jié)界面處的帶隙，從而減小電池的反向飽和電流，有利于Voc的增加；通過調(diào)整Eg3將pn結(jié)界面復(fù)合最小化，以獲得最佳的Voc和Jsc；2）微量的Na元素摻雜有助于提高CZTS薄膜太陽能電池的性能，a）增強晶格，平均晶粒尺寸增大；b）提高載流子濃度和電導率。

本發(fā)明的CZTS太陽能電池具有如下優(yōu)點：

（1）微量的Na元素（0.01%~0.15%質(zhì)量百分比）摻雜有助于提高CZTS薄膜太陽能電池的性能。引入含0.01~1.5%wt鈉的鈉摻雜層4改善電池的開路電壓和短路電流。a）增強晶格，平均晶粒尺寸增大；b）提高載流子濃度；c）電導率提高。

（2）吸收層采用V型帶隙結(jié)構(gòu)，改善開路電壓和短路電流，從而提高轉(zhuǎn)換效率。

上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，是一種優(yōu)選的實施例，其目的在于熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明的精神實質(zhì)所作的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。