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CN106653898B - 一种czts太阳能电池 - Google Patents

一种czts太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有较高的转换效率的CZTS太阳能电池。一种CZTS太阳能电池，包括层叠设置的基板、阻挡层、导电背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层、透明导电层，其特征在于：所述吸收层为CZTS可调带隙吸收层，所述CZTS可调带隙吸收层中Cu/(Zn+Sn)的原子百分比在0.8~0.95之间，Zn/Sn的原子百分比在1.0~1.5之间。吸收层中Cu/(Zn+Sn)的原子百分比在0.8~0.95之间，Zn/Sn的原子百分比在1.0~1.5之间，采用V型带隙结构，改善开路电压和短路电流，从而提高CZTS太阳能电池的转换效率。

Description

一种CZTS太阳能电池
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，特别涉及一种CZTS太阳能电池。
背景技术
当前太阳能电池发展的主要目标是低成本，高转换效率，制造工艺简单，适合大规模生产。目前研究较多的CdTe、CuInGaSe2（铜铟镓硒）等直接带隙结构的薄膜太阳能电池虽然具有高的吸收系数和转换效率、能减少材料的使用、节约成本，但是Cd、Se的毒性，以及稀有金属In和Ga的使用，限制了这些电池的大规模商业化生产和应用。Cu2ZnSnS4（铜锌锡硫，以下简称CZTS）薄膜太阳能电池越来越受到人们的关注。
CZTS太阳能电池具有以下优点：（1）禁带宽度为1.50ev左右，满足半导体太阳能电池所需的最佳禁带宽度1.4~1.6ev；(2)在紫外-可见波段具有宽的吸收带，吸收系数高达104cm-1；(3)组成元素铜、锌、锡、硫地球储量丰富，不含贵金属In、Ga等；（4）不含有毒元素Cd、Se等，符合绿色能源的环境要求；（5）与CIGS（CuIn(1-x)GaxSe2的简称）相似，有高的转换效率，理论转换效率达到32.2%。故CZTS已成为替代CIGS吸收层的最佳材料。
2010年以部分硒化的CZTS太阳能电池的转换效率达到9.6%，2012年SolarFrontie转换效率达到的11.1%，2014年最高效率达到12.6%。但是与CIGS的20.5%转换效率相比，CZTS太阳能电池转换效率还有很大差距。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术中存在的不足和问题，提出了一种具有较高的转换效率的CZTS太阳能电池。
本发明采用的技术方案如下：
一种CZTS太阳能电池，包括层叠设置的基板、阻挡层、导电背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层、透明导电层，其特征在于：所述吸收层为CZTS可调带隙吸收层，所述CZTS可调带隙吸收层中Cu/(Zn+Sn)的原子百分比在0.8~0.95之间，Zn/Sn的原子百分比在1.0~1.5之间。
优选地，该CZTS太阳能电池包括依次层叠的三层所述吸收层，第一层吸收层的厚度为100~200nm，层叠在第一层吸收层上的第二层吸收层的厚度为800~1500nm，层叠在第二层吸收层上的第三层吸收层的厚度为50~100nm，所述缓冲层层叠在第三层吸收层上。
优选地，所述吸收层采用预先配置的圆柱靶在400~600℃通过交流磁控溅射生成。
优选地，该CZTS太阳能电池还包括层叠在所述导电背电极层上的钠掺杂层以及层叠在所述钠掺杂层上的钠保护层，所述钠掺杂层中钠的质量百分比为0.01~0.15%。
更优选地，所述钠掺杂层由钠质量百分比为0.1~3%的钼钠靶材通过直流磁控溅射生成，所述钠保护层由钼层通过直流磁控溅射生成。
优选地，所述阻挡层有Ti/Zr靶材通过直流磁控溅射生成，所述导电背电极层采用钼层，直流磁控溅射生成。
优选地，所述缓冲层由ZnS靶材通过直流磁控溅射生成。
优选地，所述窗口层由ZnO靶材通过磁控溅射生成。
优选地，所述透明导电层由掺杂质量百分比为1~3%铝的ZnO靶材通过磁控溅射生成。
优选地，该CZTS太阳能电池由依次层叠的基板、阻挡层、导电背电极层、钠掺杂层、钠保护层、第一吸收层、第二吸收层、第三吸收层、缓冲层、窗口层以及透明导电层构成，其中，所述基板的厚度为30~80μm；所述阻挡层的厚度为500~1500nm；所述导电背电极层的厚度为20~100nm；所述钠掺杂层的厚度为20~100nm；所述钠保护层由钼层通过直流磁控溅射生成，所述钠保护层的厚度为20~100nm；所述第一层吸收层的厚度为100~200nm；所述第二层吸收层的厚度为800~1500nm；所述第三层吸收层的厚度为50~100nm；所述缓冲层的厚度为20~100nm；所述窗口层的厚度为20~90nm；所述透明导电层的厚度为300~600nm。
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
吸收层中Cu/(Zn+Sn)的原子百分比在0.8~0.95之间，Zn/Sn的原子百分比在1.0~1.5之间，采用V型带隙结构，改善开路电压和短路电流，从而提高CZTS太阳能电池的转换效率。
附图说明
附图1为本发明的一种CZTS太阳能电池的结构示意图；
附图2为本发明采用的吸收层的带隙情况示意图。
上述附图中，
1、基板；2、阻挡层；3、导电背电极层；4、钠掺杂层；5、钠保护层；6、第一层吸收层；7、第二层吸收层；8、第三层吸收层；9、缓冲层；10、窗口层；11、透明导电层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。
参照附图1所示，本发明提供的一种CZTS太阳能电池由多层薄膜层叠构成，具体由自下至上依次层叠的基板1、阻挡层2、导电背电极层3、钠掺杂层4、钠保护层5、第一层吸收层6、第二层吸收层7、第三层吸收层8、缓冲层9、窗口层10以及透明导电层11构成。上述隔层薄膜可通过物理或化学方法成膜，如磁控溅射成膜、CVD、PVD等。下面以磁控溅射成膜为例对本发明的CZTS太阳能电池进行详细说明。
基板1采用不锈钢（SUS430/SUS316/SUS304）、玻璃、硅片等材料，厚度在30~80um；阻挡层2采用Ti/Zr，直流磁控溅射500~1500nm；导电背电极层3采用的是钼层，直流磁控溅射200~500nm；钠掺杂层4采用纯度为0.1%~3%（钠的质量百分比）的钼钠靶材，直流磁控溅射20~100nm；钠保护层5采用的是通过钼层来实现，直流磁控溅射20~100nm；第一层吸收层6、第二层吸收层7以及第三层吸收层8均为CZTS可调带隙吸收层，采用的是按元素比例事先配置好的圆柱靶，Cu/(Zn+Sn)的原子百分比在0.8~0.95之间，Zn/Sn的原子百分比在1.0~1.5之间，带隙情况如附图2所示，在400~600℃温度下，交流磁控溅射厚度分别为100~200nm、800~1500nm、50~100nm。缓冲层9采用的ZnS靶材，直流磁控溅射20~100nm，窗口层10采用的是ZnO靶材，磁控溅射20~90nm；透明导电层11是采用掺了质量百分比为1%~3%铝的ZnO靶材，磁控溅射300~600nm。
本发明中：1）CZTS可调带隙吸收层引入V型带隙的设计结构来提高电池的效率；第一层吸收层6背面增加带隙宽度可以加强电池的背电场，从而减小了少数载流子复合的可能性，从而改善了电池的开路电压Voc；由于带隙的增宽，能量小的长波段无法吸收，降低第二层吸收层7禁带宽度Eg2，有利于长波段光的吸收；第三层吸收层8提高了异质结界面处的带隙，从而减小电池的反向饱和电流，有利于Voc的增加；通过调整Eg3将pn结界面复合最小化，以获得最佳的Voc和Jsc；2）微量的Na元素掺杂有助于提高CZTS薄膜太阳能电池的性能，a）增强晶格，平均晶粒尺寸增大；b）提高载流子浓度和电导率。
本发明的CZTS太阳能电池具有如下优点：
（1）微量的Na元素（0.01%~0.15%质量百分比）掺杂有助于提高CZTS薄膜太阳能电池的性能。引入含0.01~1.5%wt钠的钠掺杂层4改善电池的开路电压和短路电流。a）增强晶格，平均晶粒尺寸增大；b）提高载流子浓度；c）电导率提高。
（2）吸收层采用V型带隙结构，改善开路电压和短路电流，从而提高转换效率。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种CZTS太阳能电池，包括层叠设置的基板、阻挡层、导电背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层、透明导电层，其特征在于：所述吸收层为CZTS可调带隙吸收层，所述CZTS可调带隙吸收层中Cu/(Zn+Sn)的原子百分比在0.8~0.95之间，Zn/Sn的原子百分比在1.0~1.5之间；该CZTS太阳能电池还包括层叠在所述导电背电极层上的钠掺杂层以及层叠在所述钠掺杂层上的钠保护层，所述吸收层层叠在所述钠保护层上，所述钠掺杂层中钠的质量百分比为0.01~0.15%；所述钠掺杂层由钠质量百分比为0.1~3%的钼钠靶材通过直流磁控溅射生成，所述钠保护层由钼层通过直流磁控溅射生成。
2.根据权利要求1所述的CZTS太阳能电池，其特征在于：该CZTS太阳能电池包括依次层叠的三层所述吸收层，第一层吸收层的厚度为100~200nm，层叠在第一层吸收层上的第二层吸收层的厚度为800~1500nm，层叠在第二层吸收层上的第三层吸收层的厚度为50~100nm，所述缓冲层层叠在第三层吸收层上。
3.根据权利要求1所述的CZTS太阳能电池，其特征在于：所述吸收层采用预先配置的圆柱靶在400~600℃通过交流磁控溅射生成。
4.根据权利要求1所述的CZTS太阳能电池，其特征在于：所述阻挡层由Ti/Zr靶材通过直流磁控溅射生成，所述导电背电极层采用钼层，直流磁控溅射生成。
5.根据权利要求1所述的CZTS太阳能电池，其特征在于：所述缓冲层由ZnS靶材通过直流磁控溅射生成。
6.根据权利要求1所述的CZTS太阳能电池，其特征在于：所述窗口层由ZnO靶材通过磁控溅射生成。
7.根据权利要求1所述的CZTS太阳能电池，其特征在于：所述透明导电层由掺杂质量百分比为1~3%铝的ZnO靶材通过磁控溅射生成。
8.权利要求1所述的CZTS太阳能电池，其特征在于：该CZTS太阳能电池由依次层叠的基板、阻挡层、导电背电极层、钠掺杂层、钠保护层、第一吸收层、第二吸收层、第三吸收层、缓冲层、窗口层以及透明导电层构成，其中，所述基板的厚度为30~80μm；所述阻挡层的厚度为500~1500nm；所述导电背电极层的厚度为20~100nm；所述钠掺杂层的厚度为20~100nm；所述钠保护层由钼层通过直流磁控溅射生成，所述钠保护层的厚度为20~100nm；所述第一吸收层的厚度为100~200nm；所述第二吸收层的厚度为800~1500nm；所述第三吸收层的厚度为50~100nm；所述缓冲层的厚度为20~100nm；所述窗口层的厚度为20~90nm；所述透明导电层的厚度为300~600nm。
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