基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池及其制備方法,尤其是涉及一種基于石墨 烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在當(dāng)今追求節(jié)能、環(huán)保的潮流中,清潔、可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用顯得尤為重要。 其中,取之不盡、用之不竭的太陽(yáng)能受到了人們極大的關(guān)注。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的太陽(yáng)能 電池一般分為硅類(lèi)太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池、化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池等,其中碲化鎘 薄膜太陽(yáng)能電池,作為最有發(fā)展前景的太陽(yáng)能電池之一,具有高效率,制作工藝簡(jiǎn)單,且可 大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池一般由玻璃襯底,透明電極層,高阻層,硫化鎘 窗口層,碲化鎘吸收層以及背接觸層和背電極層這七層結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)制作工藝順序,碲化 鎘薄膜太陽(yáng)能電池可分為由上到下配置和由下到上配置,一般由上到下配置的太陽(yáng)能電池 的光轉(zhuǎn)換效率比由下到上配置的光轉(zhuǎn)換效率高。在由上到下配置的太陽(yáng)能電池中,碲化鎘 薄膜太陽(yáng)能電池在覆有透明導(dǎo)電層的玻璃襯底上制備。因?yàn)椴Aбr底都是硬質(zhì)的,不能曲 折,而在由下到上配置的碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池中,沉積碲化鎘薄膜的基底可以選擇金屬 箔或者其他柔性襯底,從而使柔性電池成為可能。
[0004] 另外,傳統(tǒng)的透明導(dǎo)電層有氧化銦錫、摻氟氧化錫和摻鋁氧化鋅,均具有很高的透 光性(T>90%),低的方塊電阻(30Q/SIJ左右)等透明導(dǎo)電氧化物。但這些透明導(dǎo)電薄膜的 缺點(diǎn)是脆性易碎且折射率高。另外,這些透明導(dǎo)電氧化物一般涉及到一些資源有限、價(jià)格高 昂的金屬,比如銦、錫等,進(jìn)而提高了碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的制作成本。
[0005] 同時(shí)碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的背接觸層也是限制它發(fā)展的一大因素。由于碲化鎘 薄膜的功函數(shù)5. 5eV,為了避免形成肖特基勢(shì)皇,要求和碲化鎘接觸的背接觸層的功函數(shù) 大于5. 5eV,但事實(shí)上滿(mǎn)足這條件的材料稀少且價(jià)格昂貴。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明目的是:提供一種基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池及其制備方 法,采用本發(fā)明方法制備得到的基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池,不僅制備方法 簡(jiǎn)單,而且能夠有效提高柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的彎曲角度和彎折重復(fù)性。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池,包括自下 而上依次設(shè)置的鉬箔背電極層、P型石墨烯背接觸層、P型碲化鎘薄膜吸收層、n型硫化鎘薄 膜窗口層、本征氧化鋅薄膜高阻層、n型石墨烯導(dǎo)電層和透明高分子材料防護(hù)層。
[0008] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案,所述p型石墨烯背接觸層為單層或多層p型摻雜石墨烯薄 膜,其摻雜元素選自硼、鉑、金、銅或銀; 所述n型石墨烯導(dǎo)電層為單層或多層n型摻雜石墨烯薄膜,其摻雜元素選自氮、磷、氧 或氯。
[0009] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案,所述透明高分子材料防護(hù)層選自 明高分子薄膜。
[0010] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案,所述鉬箔背電極層的厚度為100nm~400nm; 所述P型石墨稀背接觸層的厚度為〇? 35nm~5nm; 所述P型蹄化鎘薄膜吸收層的厚度為5um~15um; 所述n型硫化鎘薄膜窗口層的厚度為lOOnm~300nm; 所述本征氧化鋅薄膜高阻層的厚度為50nm~250nm; 所述n型石墨稀導(dǎo)電層的厚度為0? 35nm~lnm; 所述透明高分子材料防護(hù)層的厚度為200um~2mm。
[0011] 上述基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法,包括以下步驟: 1) 將鉬箔超聲波清洗后放于石英舟上并置于管式爐中央,在氫氣和氬氣保護(hù)下加熱到 800~1100°C后退火30~60mins,然后同時(shí)通入碳源和待摻雜元素進(jìn)行p型摻雜石墨烯薄 膜沉積,沉積時(shí)間為30~200mins,冷卻后得到p型石墨烯背接觸層; 2) 采用近空間升華法在步驟1)所得到的p型石墨烯背接觸層上制備p型碲化鎘薄膜 吸收層; 3) 采用真空蒸發(fā)沉積法在步驟2)所得到的p型碲化鎘薄膜吸收層上制備n型硫化鎘 薄膜窗口層; 4) 采用磁控濺射法在步驟3)所得到的n型硫化鎘薄膜窗口層上制備本征氧化鋅薄膜 高阻層; 5) 將銅箔超聲波清洗后放于石英舟上并置于管式爐中央,在氫氣和氬氣保護(hù)下加溫 達(dá)到900~1KKTC后退火50~60mins,然后通入碳源進(jìn)行石墨烯沉積,沉積時(shí)間為30~ 60mins,冷卻后得到在銅箔上生長(zhǎng)的石墨稀薄膜,再在石墨稀薄膜上涂抹聚甲基丙稀酸甲 酯,之后放入三氯化鐵中腐蝕銅箔,再放入丙酮去除聚甲基丙烯酸甲酯,得到石墨烯薄膜, 最后對(duì)該石墨烯薄膜進(jìn)行n型摻雜后轉(zhuǎn)移到步驟4)所得到的本征氧化鋅薄膜高阻層上,得 到n型石墨烯導(dǎo)電層; 6) 將透明高分子材料懸涂在步驟5)所得到的n型石墨烯導(dǎo)電層上作為透明高分子材 料防護(hù)層,固化后得到基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池。
[0012] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案,步驟2)中制備p型碲化鎘薄膜吸收層后,進(jìn)行退火處理,其 具體步驟如下:在P型碲化鎘薄膜吸收層上沉積氯化鎘薄膜,在氬氣或氮?dú)獾谋Wo(hù)下退火, 溫度為350~450°C,時(shí)間為20~40mins。
[0013] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案,步驟1)中所述的鉬箔依次采用異丙醇、丙酮、四氯化碳、去 離子水進(jìn)行超聲波清洗; 步驟5)中所述的銅箔依次采用異丙醇、丙酮、三氯化鐵、鹽酸水溶液、去離子水進(jìn)行超 聲波清洗。
[0014] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案,步驟2)中所述近空間升華法的具體步驟為:將步驟1)得到 的覆有P型石墨烯背接觸層的鉬箔作為基底,并置于近空間升華設(shè)備的上石墨塊上,在近 空間升華設(shè)備的下石墨塊上放置與所述基底相近面積的碲化鎘源,然后將反應(yīng)室抽真空至 1~10Pa后通入氬氣,通過(guò)鹵鎢燈加熱上、下石墨塊,其中上石墨塊溫度達(dá)到400~550°C, 下石墨塊溫度達(dá)到550~650°C,并保溫10~40mins。
[0015] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案,步驟3)中真空蒸發(fā)沉積法的具體步驟為:將步驟2)得 到的依次覆有P型石墨烯背接觸層、P型碲化鎘薄膜吸收層的鉬箔作為基底,采用真空蒸 發(fā)沉積設(shè)備,以純度大于99. 995%的硫化鎘粉末作為硫化鎘源,其中反應(yīng)室氣壓為(1~ 10)X10_4Pa,硫化鎘源溫度為550~670°C,基底溫度為50~100°C,反應(yīng)時(shí)間10~ 30mins〇
[0016] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案,步驟4)中磁控濺射法的具體步驟為:將步驟3)得到的依次 覆有P型石墨烯背接觸層、P型碲化鎘薄膜吸收層、n型硫化鎘薄膜窗口層的鉬箔作為基底, 通入氬氣和氧氣,磁控濺射溫度為350~500°C并以純鋅為靶。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是: 1. 本發(fā)明采用石墨烯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的透明導(dǎo)電氧化物材料和背接觸層材料,解決了傳統(tǒng)材 料的易脆裂性且折射率高的問(wèn)題,有效提高太陽(yáng)能電池彎曲角度和彎折重復(fù)性,擴(kuò)大其利 用范圍,同時(shí)由于碳源的儲(chǔ)備充分,避免了儲(chǔ)量稀少且價(jià)格昂貴的銻、碲、銦、錫、金等材料 的使用,大大降低了生產(chǎn)成本; 2. 本發(fā)明利用石墨烯的高透光率、高導(dǎo)電率、低成本的優(yōu)點(diǎn)替代傳統(tǒng)成本較高的透明 導(dǎo)電氧化物薄膜,從而降低了碲化鎘太陽(yáng)能電池的成產(chǎn)成本,并提高了太陽(yáng)能電池的光透 過(guò)率,以及外量子效率; 3.本發(fā)明直接在鉬箔上制備得到p型石墨烯背接觸層,減少了石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移這個(gè) 步驟,同時(shí)也避免了聚甲基丙烯酸甲酯等殘留所引入的雜質(zhì)。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述: 圖1為本發(fā)明基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖; 其中:1鉬箔背電極層,2p型石墨烯背接觸層,3p型碲化鎘薄膜吸收層,4n型硫化鎘薄 膜窗口層,5本征氧化鋅薄膜高阻層,6n型石墨烯導(dǎo)電層,7透明高分子材料防護(hù)層。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 實(shí)施例1:制備基于石墨烯的柔性碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池(如圖1所示),包括以下 步驟: 1)將200nm厚的鉬箔分別用異丙醇、丙酮、四氯化碳、去離子水超聲波清洗lOmins,將 其放在石英舟上并置于管式爐中央,在氫氣lOOsccm和氬氣500sCCm混合氣氛保護(hù)下加溫 達(dá)到1000°C后,通入碳源甲烷和待摻雜元素進(jìn)行石墨烯沉積,甲烷流量為3〇SCCm,時(shí)間為 30mins,冷卻后得到p型石墨稀背接觸層,其厚度為0. 35~5nm。
[0020] )將步驟1)得到的覆有P型石墨烯背接觸層的鉬箔作為基底,并置于近空間升 華設(shè)備的上石墨塊上,在近空間升華設(shè)備的下石墨塊上放置與所述基底相近面積的碲化鎘 源,然后將反應(yīng)室抽真空至IPa,通入氫氣,去除所述基底表面的雜質(zhì),然后抽出氫氣,通入 氬氣(含5%體積的氧氣),通過(guò)齒鎢燈加熱上、下石墨塊,其中上石墨塊溫度達(dá)到470°C,下 石墨塊溫度達(dá)到600°C,并保溫20mins,碲化鎘高溫升華,在基底上沉積,得到p型碲化鎘薄 膜吸收層的厚度為5~15um,之后通過(guò)提拉法在p型碲化鎘薄膜吸收層表面沉積CdCl2薄 膜,然后在氬氣或氮?dú)獾谋Wo(hù)下將其進(jìn)行退火處理使得CdTe晶粒生長(zhǎng),提高其光電轉(zhuǎn)換效 率,退火溫度為420°C,時(shí)間為30mins。
[0021])將步驟2)得到的依次覆有p型石墨烯背接觸層、p型碲化鎘薄膜吸收層的鉬箔 作為基底,采用真空蒸發(fā)沉積設(shè)備,以純度大于99. 995%的硫化鎘粉末作為硫化鎘源,其中 反應(yīng)室氣壓為6Xl(T4Pa,硫化鎘源溫度為550°C,基底溫度為50°C,反應(yīng)時(shí)間lOmins,得到 n型硫化鎘薄膜窗口層,其厚度為100~300nm〇