1.一种微米/纳米二级阵列结构薄膜太阳能电池,其特征在于,所述薄膜太阳能电池包括衬底,衬底上依次是背电极、p型半导体微米/纳米二级阵列、n型半导体层、窗口层和金属栅格电极;
所述p型半导体微米/纳米二级阵列是在Cu2S微米/纳米二级阵列的表层沉积铜、铟、镓、硒元素中的一种或者几种,再经过硒化或硫化后得到;Cu2S微米/纳米二级阵列包括微米级的Cu2S球冠,和生长在Cu2S球冠表面的纳米级的Cu2S纳米线;其中,Cu2S纳米线的直径为10-500nm,长度为100nm-500μm;Cu2S球冠的直径为0.5-100μm,Cu2S球冠之间的间隔为0.01-100μm。
2.一种微米/纳米二级阵列结构薄膜太阳能电池的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)采用物理气相沉积法或电化学沉积法,在衬底上沉积背电极;所述的物理气相沉积法为溅射法、热蒸发法、电子束蒸发法、激光束蒸发法或硒化法;所述的电化学沉积法为脉冲电化学沉积、恒压电化学沉积或恒流电化学沉积;所述的衬底为陶瓷、云母、高分子塑料、金属片、硅片、玻璃或不锈钢片中的一种;所述的背电极为钼、铝、金、铜、纳米铟锡金属氧化物ITO、银、钨、镍或钛中的一种,背电极的厚度为50nm-50μm;
(2)采用电化学沉积法,在背电极上沉积铜膜,然后将沉积了铜膜的衬底放入硫化氢或氧气/硫化氢混合气体中,在0-200℃条件下放置1-500h,使铜膜变为Cu2S微米/纳米二级阵列;再将处理后的衬底置于盐酸水溶液中,溶去表面产生的氧化层;所述的电化学沉积法为脉冲电化学沉积、恒压电化学沉积或恒流电化学沉积;所述的氧气/硫化氢混合气体中,氧气和硫化氢的体积比为1:0.01-100;所述的盐酸水溶液的浓度为0.001-2mol/L;
(3)采用化学浴沉积法,在Cu2S微米/纳米二级阵列的表层沉积铜、铟、镓、硒元素至少一种,再经过硒化或硫化,生成p型半导体微米/纳米二级阵列;所述的化学浴沉积具体方法为:配制含有铜、铟、镓、硒中的一种或者几种离子的含硫混合溶液进行共沉积,使Cu2S微米/纳米二级阵列的表面形成含铜铟镓硒中的一种或者几种的含硫合金相;或配制分别含有铜和硫、铟和硫、镓和硫、硒和硫的溶液并进行分步沉积,使Cu2S微米/纳米二级阵列的表面形成含有铜硫合金相、铟硫合金相、镓硫合金相、硒硫合金相中至少两种的多层结构;所述的合金相或多层结构的厚度为5-500nm;所述的硒化具体方法为:将待硒化的样品在氩气或氮气保护下,置于H2Se中,在300-1000℃条件下加热0.1-50h;所述的硫化具体方法为:将待硫化的样品在氩气或者氮气保护下,置于H2S中,在300-1000℃条件下加热
0.1-50h;
(4)在p型半导体微米/纳米二级阵列的表面沉积n型半导体层,得到p-n结的核/壳型微米/纳米二级阵列;所述的n型半导体层为硫化镉、硫化锌、硒化锌、氧化镁、氧化锌、硒化铟、硫化铟、铟锌硒、氧化锡或硫化锡中的至少一种;n型半导体层的厚度为1-200nm;所述的沉积为化学浴、旋涂、浸润、电化学沉积或物理气相沉积;
(5)采用物理气相沉积法,在p-n结的核/壳型微米/纳米二级阵列上依次沉积窗口层和金属栅格电极,然后进行金属合金化处理,得到微米/纳米二级阵列结构薄膜太阳能电池;所述的物理气相沉积法为溅射法、热蒸发法、电子束蒸发法、激光束蒸发法或硒化法;
所述的窗口层为掺铝氧化锌、ITO薄膜、石墨烯薄膜或碳纳米管薄膜中的一种;窗口层的厚度为1nm-10μm;所述的金属栅格电极为钼、铝、金、铜、钨钛合金、ITO导电玻璃、银、钨、镍或钛中的一种。
3.根据权利要求2所述的微米/纳米二级阵列结构薄膜太阳能电池的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)将铜片用0-6号砂纸打磨,并依次用酒精、丙酮、去离子水超声清洗5min;然后在铜片上磁控溅射一层Mo,Mo的厚度为800nm;
(2)在沉积了Mo层的铜片上脉冲电化学沉积一层厚度为1μm的铜膜;然后将沉积了铜膜的铜片放入氧气/硫化氢混合气体中,氧气和硫化氢的体积比为1:2,在11℃条件下放置
16h,使铜膜变为Cu2S微米/纳米二级阵列,Cu2S纳米线的直径为50nm,长度为10μm;Cu2S球冠的直径为8μm,Cu2S球冠之间的间隔为2μm;再将处理后的铜片置于浓度为1mol/L的盐酸水溶液中,溶去表面产生的氧化层;
(3)配制含有2.4mM氯化铟、0.18mM硫脲和0.76M氨水的溶液作为沉积液,将步骤(2)的产物放入60℃的沉积液中沉积In,沉积时间为30min,沉积厚度为5nm;然后将产物在氩气保护下,置于H2S气氛中,500℃下加热2h,生成p型CIS微米/纳米二级阵列;
(4)将步骤(3)的产物先在50mM的硫酸镉中浸润20s,用去离子水冲洗后,再在50mM的硫化钠中浸润20s,再用去离子水冲洗;依次浸润30个循环后,得到厚度为60nm的硫化镉层;
(5)将步骤(4)的产物放在磁控溅射仪旋转基片架上溅射掺铝氧化锌层,溅射厚度为
500nm;然后溅射Ti栅格电极;最后进行金属合金化处理,得到微米/纳米二级阵列结构薄膜太阳能电池。
4.根据权利要求2所述的微米/纳米二级阵列结构薄膜太阳能电池的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)将玻璃片依次用1mol/L的NaOH、1mol/L的HCl溶液、无水乙醇、去离子水超声清洗,然后在玻璃片上磁控溅射一层ITO,ITO厚度为200nm;
(2)在沉积了ITO的玻璃片上恒压电化学沉积一层厚度为500nm的铜膜;将沉积了铜膜的玻璃片放入氧气/硫化氢混合气体中,氧气和硫化氢的体积比为1:100,在0℃条件下放置500h,使铜膜变为Cu2S微米/纳米二级阵列,Cu2S纳米线的直径为10nm,长度为100nm;
Cu2S球冠的直径为100μm,Cu2S球冠之间的间隔为50μm;再将处理后的玻璃片置于浓度为2mol/L的盐酸水溶液中,溶去表面产生的氧化层;
(3)配制含有2.5mM氯化铜、2.4mM氯化铟、5.7mM氯化镓、0.6M硫脲和9mM亚硒酸的溶液作为沉积液,将步骤(2)的产物放入50℃的沉积液中沉积Cu、In、Ga、Se,沉积时间为
30min,沉积厚度为100nm;然后将产物在氮气保护下,置于H2Se气氛中,300℃下加热16h,生成p型CIGS微米/纳米二级阵列;
(4)将步骤(3)的产物先在50mM的硫酸镉中浸润20s,用去离子水冲洗后,再在50mM的硫化钠中浸润20s,再用去离子水冲洗;依次浸润120个循环后,得到厚度为200nm的硫化镉层;
(5)将步骤(4)的产物放在磁控溅射仪旋转基片架上溅射掺铝氧化锌层,溅射厚度为
1nm;然后溅射Ti栅格电极;最后进行金属合金化处理,得到微米/纳米二级阵列结构薄膜太阳能电池。
5.根据权利要求2所述的微米/纳米二级阵列结构薄膜太阳能电池的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)在新剖开的云母片上电子束蒸发一层Mo,Mo的厚度为800nm;
(2)在沉积了Mo的云母片上恒流电化学沉积一层厚度为1μm的铜膜;将沉积了铜膜的云母片放入氧气/硫化氢混合气体中,氧气和硫化氢的体积比为1:0.01,在200℃条件下放置12h,使铜膜变为Cu2S微米/纳米二级阵列,Cu2S纳米线的直径为500nm,长度为300μm;
Cu2S球冠的直径为0.5μm,Cu2S球冠之间的间隔为100μm;再将处理后的云母片置于浓度为0.01mol/L的盐酸水溶液中,溶去表面产生的氧化层;
(3)配制含有3mM氯化铟、6mM氯化镓、0.3M硫脲和4.5mM亚硒酸的溶液作为沉积液,将步骤(2)的产物放入70℃的沉积液中沉积In、Ga、Se,沉积时间为30min,沉积厚度为500nm;
然后将产物在氮气保护下,置于H2Se气氛中,800℃下加热2h,生成p型CIGS微米/纳米二级阵列;
(4)将步骤(3)的产物在80℃进行化学浴沉积,沉积液中硫酸锌浓度为0.1M,硫脲浓度为0.2M,水合肼占沉积液总体积的1/10,并加入氨水控制沉积液pH=10,沉积时间为30min,沉积上厚度为10nm硫化锌壳层;
(5)将步骤(4)的产物放在基片架上热蒸发掺铝氧化锌层,厚度为10μm;然后热蒸发Al栅格电极;最后进行金属合金化处理,得到微米/纳米二级阵列结构薄膜太阳能电池。
6.根据权利要求2所述的微米/纳米二级阵列结构薄膜太阳能电池的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)将聚苯乙烯塑料依次用无水乙醇、去离子水超声清洗,然后在聚苯乙烯塑料上电子束蒸发一层Ag,Ag的厚度为50μm;
(2)在沉积了Ag的聚苯乙烯塑料上恒流电化学沉积一层厚度为1μm的铜膜;将沉积了铜膜的聚苯乙烯塑料放入氧气/硫化氢混合气体中,氧气和硫化氢的体积比为1:2.5,在
26℃条件下放置12h,使铜膜变为Cu2S微米/纳米二级阵列,Cu2S纳米线的直径为300nm,长度为500μm;Cu2S球冠的直径为80μm,Cu2S球冠之间的间隔为0.01μm;再将处理后的聚苯乙烯塑料置于浓度为0.7mol/L的盐酸水溶液中,溶去表面产生的氧化层;
(3)配制含有0.3mM氯化铟、0.15M硫脲的溶液作为沉积液A,含有6mM氯化镓、0.15M硫脲的溶液作为沉积液B,含有5.5mM亚硒酸、0.15M硫脲的溶液作为沉积液C,将步骤(2)的产物依次放入60℃的沉积液A、B、C中分别沉积In、Ga、Se,沉积时间分别为30min,沉积厚度为250nm;然后将产物在氩气保护下,置于H2Se气氛中,400℃下加热4h,生成p型CIGS微米/纳米二级阵列;
(4)利用氧化镁为靶材,在步骤(3)的产物上磁控溅射一层氧化镁层,厚度为70nm;
(5)将步骤(4)的产物放在基片架上电子束蒸发掺铝氧化锌层,厚度为500nm;然后电子束蒸发Cu栅格电极;最后进行金属合金化处理,得到微米/纳米二级阵列结构薄膜太阳能电池。
7.根据权利要求2所述的微米/纳米二级阵列结构薄膜太阳能电池的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)将镍片依次用无水乙醇、去离子水超声清洗,然后在镍片上激光束蒸发一层Ag,Ag的厚度为700nm;
(2)在沉积了Ag的镍片上脉冲电化学沉积一层厚度为1μm的铜膜;将沉积了铜膜的镍片放入氧气/硫化氢混合气体中,氧气和硫化氢的体积比为1:50,在100℃条件下放置
125h,使铜膜变为Cu2S微米/纳米二级阵列,Cu2S纳米线的直径为150nm,长度为150nm;
Cu2S球冠的直径为50μm,Cu2S球冠之间的间隔为80μm;再将处理后的镍片置于浓度为
1.5mol/L的盐酸水溶液中,溶去表面产生的氧化层;
(3)配制含有4.5mM氯化铟、0.15M硫脲的溶液作为沉积液A,含有5mM氯化镓、0.15M硫脲的溶液作为沉积液B,含有3.5mM亚硒酸、0.15M硫脲的溶液作为沉积液C,将步骤(2)的产物依次放入50℃的沉积液A、60℃的沉积液B和50℃的沉积液C中分别沉积In、Ga、Se,沉积时间分别为30min,沉积厚度为300nm;然后将产物在氩气保护下,置于H2S气氛中,
600℃下加热6h,生成p型CIGS微米/纳米二级阵列;
(4)利用硒化铟为靶材,在步骤(3)的产物上磁控溅射一层硒化铟层,厚度为70nm;
(5)将步骤(4)的产物放在基片架上电子束蒸发掺铝氧化锌层,厚度为500nm;然后电子束蒸发Cu栅格电极;最后进行金属合金化处理,得到微米/纳米二级阵列结构薄膜太阳能电池。