本發(fā)明涉及太陽電池，特別是涉及一種銅銦硫薄膜太陽電池及其制備方法。

背景技術：

1、太陽電池在實際使用時需要滿足高效率和高穩(wěn)定性兩個基本要求。無機半導體材料具有載流子遷移率高和結(jié)構穩(wěn)定性好的優(yōu)點。目前常見的太陽電池主要晶硅太陽電池，其具有能量轉(zhuǎn)換效率較高的優(yōu)點。但是晶硅太陽電池的制備過程需要用到高純度的單晶硅，原材料的成本較高。并且晶硅太陽電池的制備過程還需要在高真空和高結(jié)晶溫度下進行，制備工藝較為復雜。因此有必要探尋更加具有潛力的太陽電池體系。

2、銅銦硫（cuins2）是一種直接帶隙半導體材料，其帶隙僅為1.50ev，吸光系數(shù)能夠達到104cm-1以上，并且還具有優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性，是一種潛力較大的太陽電池光吸收材料。傳統(tǒng)的基于銅銦硫材料的太陽電池實際能夠取得的轉(zhuǎn)換效率往往僅能夠達到6%左右，存在轉(zhuǎn)換效率顯著較低的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、基于此，針對上述背景技術中的技術問題，有必要提供一種基于銅銦硫的銅銦硫薄膜太陽電池，該銅銦硫薄膜太陽電池具有顯著較高的光電轉(zhuǎn)換效率。

2、根據(jù)本公開的一些實施例，提供了一種銅銦硫薄膜太陽電池，其包括第一電極、二氧化鈦納米棒、疊層結(jié)構以及第二電極，所述二氧化鈦納米棒和所述疊層結(jié)構設置于所述第一電極和所述第二電極之間；

3、所述銅銦硫薄膜太陽電池包括多個間隔設置的二氧化鈦納米棒，所述二氧化鈦納米棒設置于所述第一電極上且其軸向沿著遠離所述第一電極的方向延伸；所述疊層結(jié)構包括疊置的硫化鎘層和銅銦硫?qū)?，所述硫化鎘層覆蓋于所述二氧化鈦納米棒上，所述銅銦硫?qū)釉O置于所述硫化鎘層遠離所述二氧化鈦納米棒的一側(cè)。

4、在本公開的一些實施例中，所述二氧化鈦納米棒的數(shù)密度為80個/μm2~120個/μm2。

5、在本公開的一些實施例中，所述銅銦硫薄膜太陽電池還包括二氧化鈦基膜，所述二氧化鈦基膜層疊設置于所述第一電極上，所述二氧化鈦納米棒設置于所述二氧化鈦基膜遠離所述第一電極的一側(cè)。

6、在本公開的一些實施例中，所述二氧化鈦納米棒的高度為500nm~1200nm。

7、在本公開的一些實施例中，所述二氧化鈦納米棒的直徑為20nm~100nm。

8、在本公開的一些實施例中，所述硫化鎘層的厚度為10nm~30nm。

9、在本公開的一些實施例中，還包括空穴傳輸層，所述空穴傳輸層層疊設置于所述疊層結(jié)構與所述第二電極之間。

10、又一方面，本公開還提供了一種如上述任一實施例所述的銅銦硫薄膜太陽電池的制備方法，其包括如下步驟：

11、提供包括第一電極的襯底；

12、在所述第一電極上制備二氧化鈦基膜；

13、基于所述二氧化鈦基膜生長所述二氧化鈦納米棒；

14、在所述二氧化鈦納米棒上依次沉積所述硫化鎘層和所述銅銦硫?qū)?，形成所述疊層結(jié)構；以及，

15、在所述疊層結(jié)構遠離所述第一電極的一側(cè)制備所述第二電極。

16、在本公開的一些實施例中，生長所述二氧化鈦納米棒的方式為水熱反應，生長所述二氧化鈦納米棒的步驟包括：

17、將制備有所述二氧化鈦基膜的所述襯底設置于水熱容器中，并向所述水熱容器中加入水熱反應物，進行水熱反應，所述水熱反應物包括水、鹽酸和鈦酸異丙酯；控制水熱反應過程中的反應溫度為150℃~200℃，反應時間為1h~5h。

18、在本公開的一些實施例中，沉積所述硫化鎘層的步驟包括：

19、將所述二氧化鈦納米棒浸入含有鎘離子和堿液的第一前驅(qū)體溶液中，加入硫脲后進行第一加熱反應以形成所述硫化鎘層，控制第一加熱反應過程中的反應溫度為40℃~60℃，反應時間為5min~15min。

20、在本公開的一些實施例中，沉積所述銅銦硫?qū)拥牟襟E包括：

21、在所述硫化鎘層上旋涂第二前驅(qū)體溶液，并在保護性氣體的氣氛中進行第二加熱反應，以在所述硫化鎘層表面沉積銅銦硫材料，所述第二加熱反應的過程包括：先于120℃~180℃的溫度條件下加熱4min~6min，再于200℃~300℃的溫度條件下加熱5min~15min；

22、其中，所述第二前驅(qū)體溶液包括銦離子、銅離子和硫脲，所述銦離子、銅離子和硫脲的物質(zhì)的量之比為1:（1.1~1.9）:（6~10）。

23、在本公開的一些實施例中，沉積所述銅銦硫?qū)拥牟襟E還包括：在沉積銅銦硫材料之后，將所述襯底與硫脲設置于加熱腔室中，控制所述加熱腔室中的溫度為120℃~200℃，以對沉積的所述銅銦硫材料進行硫化處理。

24、傳統(tǒng)的銅銦硫薄膜太陽電池為平板型電池，例如一種銅銦硫薄膜電池中設置了層疊的二氧化鈦層、硫化鎘層和銅銦硫?qū)?。該平板型銅銦硫薄膜電池具有結(jié)構及制備工藝較為簡單的優(yōu)點，但是存在載流子有效擴散長度較短的缺點，這嚴重制約了薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

25、本公開至少一個實施例中的銅銦硫薄膜太陽電池包括第一電極、多個二氧化鈦納米棒、疊層結(jié)構以及第二電極。二氧化鈦納米棒沿著遠離第一電極的方向延伸，疊層結(jié)構中的硫化鎘層和銅銦硫?qū)盈B置于該二氧化鈦納米棒上。其中，二氧化鈦及硫化鎘組成的復合結(jié)構能夠用于傳輸電子，銅銦硫?qū)幼鳛橹饕馕詹牧?。二氧化鈦納米棒、硫化鎘層和銅銦硫?qū)咏M成異質(zhì)結(jié)。該銅銦硫薄膜太陽電池在厚度方向的空間中設置了更多的二氧化鈦納米棒以及硫化鎘層，相應地銅銦硫?qū)忧度攵趸伡{米棒之間的空間中。該結(jié)構設計能夠有效克服傳統(tǒng)技術中存在的載流子有效擴散長度較短的問題，使得器件具有更高的光子吸收能力和電荷收集效率，從而顯著提高該銅銦硫薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過實驗驗證，該銅銦硫薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率能夠達到10%以上，其顯著高于目前已知的基于銅銦硫的薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

技術特征：

1.一種銅銦硫薄膜太陽電池，其特征在于，包括第一電極、二氧化鈦納米棒、疊層結(jié)構以及第二電極，所述二氧化鈦納米棒和所述疊層結(jié)構設置于所述第一電極和所述第二電極之間；

2.根據(jù)權利要求1所述的銅銦硫薄膜太陽電池，其特征在于，所述二氧化鈦納米棒的數(shù)密度為80個/μm2~120個/μm2。

3.根據(jù)權利要求2所述的銅銦硫薄膜太陽電池，其特征在于，所述銅銦硫薄膜太陽電池還包括二氧化鈦基膜，所述二氧化鈦基膜層疊設置于所述第一電極上，所述二氧化鈦納米棒設置于所述二氧化鈦基膜遠離所述第一電極的一側(cè)。

4.根據(jù)權利要求1~3任意一項所述的銅銦硫薄膜太陽電池，其特征在于，所述二氧化鈦納米棒的高度為500nm~1200nm；和/或，

5.根據(jù)權利要求1~3任意一項所述的銅銦硫薄膜太陽電池，其特征在于，還包括空穴傳輸層，所述空穴傳輸層層疊設置于所述疊層結(jié)構與所述第二電極之間。

6.一種如權利要求1~5任意一項所述的銅銦硫薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

7.根據(jù)權利要求6所述的銅銦硫薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于，生長所述二氧化鈦納米棒的方式為水熱反應，生長所述二氧化鈦納米棒的步驟包括：

8.根據(jù)權利要求6~7任意一項所述的銅銦硫薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于，沉積所述硫化鎘層的步驟包括：

9.根據(jù)權利要求6~7任意一項所述的銅銦硫薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于，沉積所述銅銦硫?qū)拥牟襟E包括：

10.根據(jù)權利要求9所述的銅銦硫薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于，沉積所述銅銦硫?qū)拥牟襟E還包括：在沉積銅銦硫材料之后，將所述襯底與硫脲設置于加熱腔室中，控制所述加熱腔室中的溫度為120℃~200℃，以對沉積的所述銅銦硫材料進行硫化處理。

技術總結(jié)
本公開提供了一種銅銦硫薄膜太陽電池及其制備方法。該銅銦硫薄膜太陽電池包括第一電極、二氧化鈦納米棒、疊層結(jié)構以及第二電極，二氧化鈦納米棒和疊層結(jié)構設置于第一電極和第二電極之間。二氧化鈦納米棒設置于第一電極上且其軸向沿著遠離第一電極的方向延伸；疊層結(jié)構包括疊置的硫化鎘層和銅銦硫?qū)?，硫化鎘層覆蓋于二氧化鈦納米棒上，銅銦硫?qū)釉O置于硫化鎘層遠離二氧化鈦納米棒的一側(cè)。該結(jié)構設計能夠使得器件具有更高的光子吸收能力和電荷收集效率，從而非常顯著地提高該銅銦硫薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，且具有很好的穩(wěn)定性。該銅銦硫薄膜太陽電池的制備方法簡便，對設備要求低，可在較低溫度下大面積制備，具有很大的實際應用價值。

技術研發(fā)人員：王命泰,曹文博,董超,陳沖
受保護的技術使用者：中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/9/9