背接触界面可调控的硒硫化锑薄膜太阳能电池及制备方法

1.本发明涉及光电材料及薄膜太阳能电池技术领域，尤其是一种背接触界面调节以提高其太阳能电池光伏性能的硒硫化锑薄膜太阳能电池及其制备方法。


背景技术：

2.硒硫化锑（sb2(s,se)3）是近年来在光伏领域中新兴的一种新型p型半导体吸收材料。作为太阳能电池吸收层材料，其具有高吸收系数（105cm-1
）、带隙可调（1.1~1.7ev）、晶界本征良性、原料材料储量丰富且环境友好、长晶温度低等特性，其器件理论效率可达30%以上等特征，是一种非常有潜力的理想太阳能吸收层材料。尤为重要的是，该化合物化学性质稳定，对水、氧气不敏感，具有更重要的科学价值和应用前景。
3.现有技术的sb2(s,se)3薄膜太阳能电池存在着背电极接触势垒高，降低界面复合损失是进一步提高其器件性能急需解决的关键科学问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种背接触界面可调控的硒硫化锑薄膜太阳能电池及制备方法，采用旋凃成膜的nio
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空穴传输层在sb2(s,se)3薄膜构建背电场，实现p-i-n结构器件，通过引入铜受主掺杂来提高niox空穴传输层的导电性，利用sb2(s,se)3的背表面化学成分及电学特性，优化背界面能带排列以降低背接触势垒，有效地降低了界面复合损失，大大提升了硒硫化锑薄膜太阳能电池空穴抽取能力，提高太阳能电池的光伏性能，通过对sb2(s,se)3薄膜太阳能电池吸收层表面旋涂铜掺杂nio
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空穴传输层对器件性能进行改进，调控和优化背电极界面能级排列，较好地解决了高功函数sb2(s,se)3半导体材料中载流子浓度低，p型掺杂困难，空穴抽取能力差的关键科学问题，为高效且低成本的硒硫化锑薄膜太阳能电池制备提供了一种技术方案。
5.实现本发明目的的具体技术方案是：一种背接触界面可调控的硒硫化锑薄膜太阳能电池，其特点是透明ito导电玻璃衬底上依次沉积或旋涂电子传输层、吸收层、空穴传输层和电极层组成薄膜结构且引入铜受主掺杂的硒硫化锑薄膜太阳能电池，所述电子传输层为cds薄膜，其厚度为30~80nm；所述吸收层为sb2(s,se)3薄膜，其厚度为400~1500nm；所述空穴传输层为铜掺杂nio
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纳米颗粒的薄膜，其厚度为10~60nm；所述电极层为80~120nm的au层。
6.一种背接触界面可调控的硒硫化锑薄膜太阳能电池的制备方法，其特点是该太阳能电池按下述步骤制备：1）清洗衬底：依次用洗涤剂、丙酮和乙醇对ito导电玻璃衬底进行超声波清洗，然后采用去离子水冲洗，最后使用氮气吹干备用；2）采用化学水浴法在ito导电玻璃衬上沉积cds薄膜：使用20 mg/ml cdcl2甲醇溶液对cds薄膜以2000 rpm旋涂30秒，将处理后的cds薄膜在350~450℃空气中退火5 min；3）采用双温区气相输运系统cds薄膜表面沉积sb2(s,se)3薄膜：以20℃ min-1
的升
温速率加热至450~550℃，在2.5~3.5pa气压下保温3 min，退火后自然冷却到室温，制得的sb2(s,se)3薄膜为吸收层；4）将制备的5at%的铜掺杂nio
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纳米颗粒旋涂到sb2(s,se)3薄膜表面，加热干燥以蒸发溶剂后制得铜掺杂nio
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薄膜为空穴传输层；5）在真空度为5
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10-3 pa的条件下，采用热蒸发法在铜掺杂nio
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薄膜上沉积金电极层，其厚度为80~120nm，制得薄膜结构且引入铜受主掺杂的硒硫化锑薄膜太阳能电池。
7.所述步骤4）中的铜掺杂nio
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纳米颗粒旋涂液的制备，具体包括以下步骤：a、分别称取1mmol醋酸镍、16mmol油酸和6mmol油胺溶解于25ml十八烯中；b、将上述溶液用磁力搅拌器搅拌30min，直至所有试剂完全溶解混合均匀；c、将混合均匀的溶液移入容量为40ml的内胆为聚四氟乙烯的反应釜中，通氩气，密封反应釜后将其置于150~180℃温度的电热恒温鼓风干燥箱中，反应3~4h；d、反应结束后，将其自然冷却至室温，得到黑褐色产物用乙醇和正己烷交替清洗数次后分散于去离子水中，配制成5 at%的铜掺杂nio
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纳米颗粒旋涂液。
8.所述铜掺杂nio
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空穴传输层的制备中，通过改变溶质浓度和旋涂转速即可实现nio
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薄膜掺杂量和厚度的调控。
9.所述步骤3）中的sb2(s,se)3薄膜制备的sb2(s,se)3粉末为sb2s3（99.999%纯度）和sb2se3（99.999%纯度）按摩尔比为1:3混合而成。
10.本发明与现有技术相比具有调控和优化背电极界面能级排列，降低界面复合损失等优点，通过铜掺杂nio
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空穴传输层策略，有效解决sb2(s,se)3半导体材料高功函数导致背接触势垒问题，提高了薄膜导电性，同时调控背接触界面能级到合适位置以提高空穴抽取效率，并巧妙地结合铜离子实现sb2(s,se)3晶界反转，并且有效抑制深缺陷复合，进而提高载流子收集效率。本发明在玻璃/ito/cds/sb2(s,se)3/au顶衬结构太阳能电池的基础上，采用旋凃成膜的nio
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空穴传输层在sb2(s,se)3薄膜构建背电场，实现p-i-n结构器件，制备方法简便，为高效且低成本的硒硫化锑薄膜太阳能电池制备提供了一种技术方案。
附图说明
11.图1为背接触界面可调控的硒硫化锑薄膜太阳能电池结构示意图；图2为实施例1与对比例2制备的未掺杂与铜掺杂nio
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纳米颗粒的xrd图；图3为实施例1制备的铜掺杂nio
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纳米颗粒的能谱图；图4为实施例1制备的铜掺杂nio
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纳米颗粒的tem图；图5为对比例2制备的未铜掺nio
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纳米颗粒的tem图；图6为实施例1与对比例2中硒硫化锑薄膜太阳能电池的j-v曲线。
具体实施方式
12.参阅图1，本发明在透明ito导电玻璃衬底1上依次沉积或旋涂电子传输层2、吸收层3、空穴传输层4和电极层5，组成薄膜结构且引入铜受主掺杂的硒硫化锑薄膜太阳能电池，所述电子传输层2为cds薄膜，其厚度为30~80nm；所述吸收层3为sb2(s,se)3薄膜，其厚度为400~1500nm；所述空穴传输层4为铜掺杂nio
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纳米颗粒薄膜，其厚度为110~60nm；所述电极层5为80~120nm的au层。
13.结合以下具体实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
14.实施例1本实施例提供了一种背接触界面可调控的硒硫化锑薄膜太阳能电池的制备方法，该方法包括如下步骤：1）清洗衬底：依次用洗涤剂、丙酮和乙醇对ito导电玻璃衬底进行超声波清洗，然后用去离子水冲洗，最后用氮气吹干备用；2）用化学水浴法在ito薄膜上沉积cds薄膜：用cdci2无水甲醇溶液（20mgml-1
）对cds薄膜旋涂处理30秒，然后放入400℃空气下退火5min；3）采用双温区气相输运系统在cds表面沉积sb2(s,se)3薄膜：以20℃ min-1
的升温速率升高至520℃，气压保持在3 pa左右，保温3 min后自然冷却到室温；4）在sb2(s,se)3薄膜表面旋涂一层铜掺杂nio
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空穴传输层前，进行nio
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纳米颗粒的制备，包括以下步骤：a)分别称取1mmol醋酸镍、0.05 mmol醋酸铜、16mmol油酸和6mmol油胺溶解于25ml十八烯中；b)然后将上述溶液用磁力搅拌器搅拌30min，直至溶液完全溶解混合均匀；c)将混合均匀的溶液移入容量为40ml的内胆为聚四氟乙烯的反应釜中，通入氩气，密封反应釜后将其置于180℃的电热恒温鼓风干燥箱中，反应4h；d)待反应完毕后，将反应釜自然冷却至室温，得到黑褐色产物用乙醇和正己烷交替清洗数次后，获得所述nio
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纳米颗粒。
15.进一步地继续以下步骤，以制备铜掺杂nio
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空穴传输层：e)水热法制备5at%的铜掺杂nio
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纳米颗粒；f)再将5at%的铜掺杂nio
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纳米颗粒旋涂到sb2(s,se)3薄膜表面；g)随后将样品置于热台板上干燥以蒸发溶剂，得到nio
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空穴传输层；5）最后，在真空度为5
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10-3
pa的条件下，用热蒸发方法在nio
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空穴传输层上沉积金电极，其厚度为100nm。
16.对比例11）清洗衬底：同实施例1的1）步骤；2）用化学水浴法在ito薄膜上沉积cds薄膜：同实施例1的2）步骤；3）采用双温区气相输运系统在cds表面沉积sb2(s,se)3薄膜：同实施例1的3）步骤；4）在sb2(s,se)3薄膜上沉积金电极层：同实施例1的5）步骤；即没有在sb2(s,se)3吸收层上旋涂一层铜掺杂nio
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空穴传输层，从而获得一种不具有背接触空穴传输层的硒硫化锑薄膜太阳能电池。
17.对比例21）清洗衬底：同实施例1的1）步骤；2）用化学水浴法在ito薄膜上沉积cds薄膜：同实施例1的2）步骤；
3）采用双温区气相输运系统在cds表面沉积sb2(s,se)3薄膜：同实施例1的3）步骤；4）在sb2(s,se)3薄膜表面旋涂一层nio
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纳米颗粒，随后将样品置于热台板上干燥以蒸发溶剂，得到nio
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空穴传输层；5）在nio
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空穴传输层上沉积金电极：同实施例1的5）步骤；制得具有nio
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空穴传输层的硒硫化锑薄膜太阳能电池。
18.参阅图2~图3，通过实施例1和对比例2的xrd和能谱结果表明5 at%的铜掺杂未形成杂相，且合成的nio
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纳米颗粒可以很好地分散于去离子水溶剂中。
19.参阅图4~图5，通过实施例1与对比例2，表明实施例1制备得到的nio
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纳米颗粒均匀纳米尺寸。经过旋涂法所获得的nio
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薄膜平整性高，这些为sb2(s,se)3/au界面插入niox薄层奠定了基础。
20.参阅图6，通过上述实施例1和对比例1~2，证实实施例1的铜掺杂可改善nio
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导电性，能对薄膜电池背接触界面能带进行调控，进一步提高了器件的性能。
21.上述实施例为本发明较佳的实施方式，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。