一種太陽能電池吸收層材料及其制備方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明涉及太陽能光電吸收層材料、半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，特別是指一種太陽能電池吸收層材料及其制備方法?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]隨著人類社會的發(fā)展，能源消耗日益增加，不可再生能源如石油、煤炭等的儲量日趨枯竭使得全球面臨著日益嚴(yán)重的能源短缺問題，所以對新能源尤其是綠色替代能源的開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)前人類迫切需要解決的問題。太陽能是一種無污染的可再生能源，儲量巨大，分布廣泛，可持續(xù)使用，因此太陽能無疑是人類未來能源的首選。[0003]太陽能電池是指利用光電效應(yīng)使太陽的輻射光子能量通過半導(dǎo)體物質(zhì)光電轉(zhuǎn)化材料轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。太陽能電池的種類很多，按照所需材料分為:晶體硅太陽能電池、硅基薄膜太陽能電池、化合物半導(dǎo)體薄膜太陽能電池和染料敏化1102納米薄膜太陽能電池。從成本、效率等綜合考慮各種實(shí)用化太陽能電池產(chǎn)品，有希望發(fā)展成與單晶硅、多晶硅太陽能電池一樣能夠大規(guī)模應(yīng)用的當(dāng)屬沒有光電效率衰退效應(yīng)、轉(zhuǎn)換率較高、穩(wěn)定性好、工藝簡單的銅銦砸(CuInSe2,CIS)系太陽能電池。但是，目前CuInSed^禁帶寬度僅為1.0leV,且材料中含有大量的稀散金屬In。針對上述問題，研宄開發(fā)摻雜或取代In的新材料是太陽能電池材料研宄的方向。目前CuInSe2慘雜取代主要有Cu(In^xGax)Se2(MartinAG,KeithE,YoshihiroH,etal.Solarcellefficiencytables(vers1n41).Prog.Photovoltaics:ResearchandApplicat1ns.21(1):1-11,2013)、Cu(In1^Alx)Se2(Dhananjay,NagarajuJ,KrupanidhiSB.StructuralandopticalpropertiesofCu(In1^Alx)Se2thinfilmspreparedbyfour-sourceelementalevaporat1n.SolidStateCommun.127(3):243-246，2003)、Cu(In1^Bx)Se2(ChenLJ,LiaoJD,ChuangYJ.Self-assembledchalcopyriteternarysemiconductorCuBSe2nanocrystals:solvothermalsynthesisandcharacterizat1n.CrystEngComm,13:2909-2914,2011)>Cu(In1^Cex)Se2(LiFu,YongquanGuo,ShuZheng,Synthesis,crystalstructureandopticalpropertiesofCedopedCuInSe2powderspreparedbymechanicallyalloying，591:304-307，2014)，其中CIGS的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)20.4%，然而In和Ga都屬于稀散金屬，使用量大，儲量少，因此Cu(InxGa1JSe2太陽能電池的廣泛使用受到較大的限制。[0004]本發(fā)明針對上述吸收層材料的缺點(diǎn)，提出采用稀土元素釔⑴摻雜/取代In制備Cu(InxY1JSey吸收層材料。此材料減少了稀散金屬In和Ga的使用量，降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)Cu(InxYh)Sey吸收層材料的禁帶寬度與太陽能最佳吸收光譜匹配度高，提高了其太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種太陽能電池吸收層材料及其制備方法。[0006]該太陽能吸收層材料為用稀土元素紀(jì)摻雜銅銦砸得到的Cu(InxYh)Sey,其中x=O?1，y=2.0?2.5。該材料的禁帶寬度為1.01?1.5eV;吸收層材料在可見光內(nèi)具有較強(qiáng)的吸收能力，吸收系數(shù)大于15CnT1，太陽能光電響應(yīng)快，有利于提高其太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。[0007]該太陽能吸收層材料的制備方法包括高溫自蔓延法和機(jī)械合金法，其中高溫自蔓延法的步驟為:[0008](I)按照物質(zhì)的量比Cu:In:Y:Se=1:x:(l_x):y精確稱料，其中x=0?l，y=2.0?2.5，然后在滾筒中混勻；[0009](2)取混勻后的混合料置于鋼模中施加0.5-10Mpa的壓力，得到Cu(InxY1JSe^柱體；[0010](3)將制得的Cu(InxYh)Sey圓柱體置于高壓反應(yīng)釜中，密封，抽真空后充入壓力P(P=0.1?0.6MPa)的氬氣；[0011]⑷Cu(InxY1JSey圓柱體由平行放置其上表面！?2毫米處的圓盤狀鎢絲點(diǎn)燃，點(diǎn)燃前在電流I=5A停留5s預(yù)熱樣品，再增加到I=15A將樣品點(diǎn)燃，得到的固體樣品為Cu(InxY1JSey粉體。[0012]機(jī)械合金法的步驟為:[0013](I)按照物質(zhì)的量比Cu:In:Y:Se=1:x:(l_x):y精確稱料，其中x=0?1，y=2.0?2.5，然后在滾筒中混勻；[0014](2)將所稱物料置于行星球磨機(jī)中，球料比為5:1?10:1，在行星球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為500?1000r/min的條件下球磨10?120min，取出得到的固體樣品為Cu(InxYpx)Sey粉體。[0015]本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下:[0016]上述方案中，用稀土元素紀(jì)摻雜銅銦砸得到Cu(InxYh)Sey,可減少Cu(InxGa1^x)Se2太陽能電池材料中稀散金屬In和Ga的使用量，同時(shí)提高了CuInSe2系吸收層材料的禁帶寬度，增加了太陽光光譜響應(yīng)的匹配性，提高了Cu(InxGa1JSe2太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率?！靖綀D說明】[0017]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1中產(chǎn)物CuYSeJ^XRD圖；[0018]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例2中產(chǎn)物&^562粉體禁帶寬度測試圖。【具體實(shí)施方式】[0019]為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。[0020]本發(fā)明針對現(xiàn)有的CIS系太陽能電池禁帶寬度較小，且需要大量稀散金屬In等問題，提供一種太陽能電池吸收層材料及其制備方法。[0021]該太陽能吸收層材料為用稀土元素紀(jì)摻雜銅銦砸得到的Cu(InxYh)Sey,其中x=O?I，y=2.0?2.5ο[0022]制備該材料的方法包括高溫自蔓延法和機(jī)械合金法兩種。[0023]實(shí)施例1[0024]采用高溫自蔓延法制備太陽能電池吸收層材料Cu(InxY1JSey,按照物質(zhì)的量比Cu:Y:Se=1:1:2.1精確稱料，滾筒混料24h，統(tǒng)一稱取混合料4g置于鋼模中施加壓力4MPa，制得直徑為12_，高為1mm左右的圓柱形胚體，將制得的圓柱體置于高壓反應(yīng)藎中，密封，抽真空后充入壓力P=0.1MPa的氬氣，圓柱體由平行放置其上表面1-2毫米處的圓盤狀鎢絲點(diǎn)燃，點(diǎn)燃前在電流I=5A停留5s預(yù)熱樣品，再增加到I=15A將樣品點(diǎn)燃，點(diǎn)燃后得到的即為CuYSe2粉體(Se在反應(yīng)中會有一部分揮發(fā))，其XRD圖如圖1所示。[0025]實(shí)施例2[0026]采用機(jī)械合金法制備太陽能電池吸收層材料Cu(InxY1JSey，按照物質(zhì)的量比Cu:Y:Se=1:1:2精確稱料，滾筒混料24h，統(tǒng)一稱取混合料4g，球料比為6:1，置于行星球磨機(jī)中，行星球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為800r/min，球磨時(shí)間為60min，制得CuYSe2粉體，測得其禁帶寬度如圖2所示。從圖2可以看出，測得的CYS禁帶寬度為1.49eV與太陽能電池理想的吸收層禁帶寬度為1.49eV非常接近。[0027]以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍?！局鳈?quán)項(xiàng)】1.一種太陽能電池吸收層材料，其特征在于:該材料為用稀土元素釔摻雜銅銦砸得到的Cu(InxYh)307，其中叉=0?1，7=2.0?2.5。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能電池吸收層材料，其特征在于:該材料的禁帶寬度為1.0l?1.5eV;對可見光的吸收系數(shù)大于15Cm'3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能電池吸收層材料，其特征在于:該材料的制備方法包括高溫自蔓延法和機(jī)械合金法。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種太陽能電池吸收層材料的制備方法，其特征在于:所述高溫自蔓延法的步驟為:(1)按照物質(zhì)的量比Cu:1n:Y:Se=1:χ:(l-χ):y精確稱料，其中x=0?l，y=2.0?2.5，然后在滾筒中混勻；(2)取混勻后的混合料置于鋼模中施加0.5-1OMpa的壓力，得到Cu(InxY1JSey圓柱體；(3)將制得的Cu(InxY1JSey圓柱體置于高壓反應(yīng)釜中，密封，抽真空后充入壓力P(P=0.1?0.6MPa)的氬氣；(4)Cu(InxY1JSey圓柱體由平行放置其上表面I?2毫米處的圓盤狀鎢絲點(diǎn)燃，得到的固體樣品為Cu(InxYh)Sey粉體。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種太陽能電池吸收層材料的制備方法，其特征在于:所述機(jī)械合金法的步驟為:(1)按照物質(zhì)的量比Cu:In:Y:Se=1:x:(l-χ):y精確稱料，其中x=O?1，y=2.0?2.5，然后在滾筒中混勻；(2)將所稱物料置于行星球磨機(jī)中，球料比為5:1?10:1，在行星球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為500?1000r/min的條件下球磨10?120min，取出得到的固體樣品為Cu(InxY1JSey粉體。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種制備太陽能電池吸收層材料的高溫自蔓延法，其特征在于:圓盤狀鎢絲點(diǎn)燃前在電流I=5A停留5s預(yù)熱樣品，再增加到I=15A將樣品點(diǎn)燃?！緦＠勘景l(fā)明提供一種太陽能電池吸收層材料及其制備方法，屬于太陽能光電吸收層材料、半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。本發(fā)明結(jié)合中國的稀土資源優(yōu)勢，采用稀土元素取代In制備太陽能電池吸收層材料Cu(InxX1-x)Se2，其中X為稀土元素，特別是采用稀土元素釔(Y)摻雜/取代In和Ga制備太陽能電池吸收層材料Cu(InxY1-x)Se2。本發(fā)明可減少Cu(InxGa1-x)Se2太陽能電池材料中稀散金屬In和Ga的使用量，同時(shí)提高了CuInSe2系吸收層材料的禁帶寬度,增加了太陽光光譜響應(yīng)的匹配性，提高了Cu(InxX1-x)Se2太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。【IPC分類】H01L31-032,H01L31-18【公開號】CN104659124【申請?zhí)枴緾N201510054369【發(fā)明人】馬瑞新,李士娜,牛建文,程詩垚,劉子林【申請人】北京科技大學(xué)【公開日】2015年5月27日【申請日】2015年2月3日