半導(dǎo)體材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能電池領(lǐng)域，具體地，涉及半導(dǎo)體材料及其制備方法和用途。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生能源，它具備清潔性、無限性及普遍性等特點(diǎn)，成為解決能源枯竭、環(huán)境污染和全球變暖等問題的有效途徑，所以太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展具有非常深遠(yuǎn)的意義。
[0003]目前太陽能電池按照材料可分為硅基太陽能電池、化合物太陽能電池、有機(jī)物太陽能電池等。在眾多類的太陽能電池中，CuInSe2(CIS)太陽能電池的禁帶寬度為1.04eV，太陽電池光電轉(zhuǎn)換理論效率在25%?30%左右，而且只需要I?2 μπι厚的薄膜就可以吸收99%以上的太陽光，從而可以大大降低太陽電池的成本，因此，它是一種具有良好發(fā)展前景的太陽電池。通過適量的Ga取代In，成為CuIrvxGaxSe2多晶固溶體，其禁帶寬度可在1.04?1.67eV范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整，可吸收更大范圍波長的太陽光。
[0004]人們對銅銦鎵砸(CIGS)太陽能電池的研宄已諸多見報(bào)。近年來，為了提高其轉(zhuǎn)換效率，科學(xué)家們不斷在技術(shù)和制備工藝上對其改進(jìn):通過三步共蒸發(fā)法制備的CIGS薄膜表面光滑、晶粒尺寸大且緊湊，是目前制備高效率CIGS太陽能電池最有效的工藝；微量的鈉元素在CIGS化合物中可以有效改善材料的結(jié)構(gòu)性能和電學(xué)性能。2008年，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室制備出世界上最高光轉(zhuǎn)換效率為20.8%的銅銦鎵砸太陽能電池。
[0005]然而，在對CIGS太陽能電池的研宄進(jìn)程中，也暴露了其自身缺點(diǎn):由于Ga不具有透光性，在作為疊層太陽能電池時(shí)對下層電池?zé)o法提供好的光條件；此外，CIGS太陽能電池中，CdS對環(huán)境的污染也是制約其產(chǎn)業(yè)化的另一重要條件。CIGS太陽能電池的諸多缺點(diǎn)限制了其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
[0006]因而，目前關(guān)于CIGS太陽能電池的研宄仍有待深入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種能夠提高太陽能電池的透光性和轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體材料。
[0008]在本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體材料。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述半導(dǎo)體材料的化學(xué)組成為-CuInxGayRmSe2，其中，O < x〈l，O < y < 0.5，并且x+y < 1，R為選自 La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Ru、Sc 和 Y 中的至少一種。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的該半導(dǎo)體材料能夠有效用于制備太陽能電池的吸收層，通過摻雜稀土元素R，可以在不影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的情況下，有效提高其透光性，在多結(jié)電池中為下層電池提供很好的光條件，用于光伏幕墻的太陽能電池可提供良好的室內(nèi)光線。另外，稀土元素具有“上轉(zhuǎn)換發(fā)光”的特點(diǎn)，使稀土摻雜的半導(dǎo)體材料吸收更大范圍的太陽光后釋放出可以被吸收層二次吸收的可見光，提高轉(zhuǎn)換效率。
[0009]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體材料還可以具有以下附加技術(shù)特征:
[0010]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，R為選自Nd、Pm、Sm、Eu和Gd、Tb和Dy中的至少一種。由此，將該半導(dǎo)體材料用于太陽能電池的吸收層時(shí)，具有較好的透光性和轉(zhuǎn)換效率。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，0.5 < x<lo由此，該半導(dǎo)體材料用作太陽能電池的吸收層，透光性較好，轉(zhuǎn)換效率較高。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，X大于y。由此，該半導(dǎo)體材料用作太陽能電池的吸收層，有利于提高其透光性和轉(zhuǎn)換效率。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，其化學(xué)組成為下列之一 ！CuIntl 6Gaci 3Smci lSe2;CuIn0 gGao 3Gd0.JSe2 ； Cu In 0.2Nd0.1Se2 ； CuIn 0.6Ga0 35Pm0.05Se2; CuIn 0.6Ga0 35Eu0.05Se2;CuIn0 7Ga0 25TbQ.Q5Se2;以及CuIn Q.56GaQ.42DyQ.Q2Se2。由此，該半導(dǎo)體材料用作太陽能電池的吸收層，透光性和轉(zhuǎn)換效率較佳。
[0014]在本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供了一種制備前面所述半導(dǎo)體材料的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括:(I)提供金屬單質(zhì)混合物，所述金屬單質(zhì)混合物含有預(yù)定比例的金屬單質(zhì)Cu、In、Ga、R和Se ;以及⑵基于所述金屬單質(zhì)混合物，形成含有Cu、In、Ga、R和Se的五元復(fù)合材料，以便獲得所述半導(dǎo)體材料。利用該方法，能夠快速有效地制備獲得前面所述的半導(dǎo)體材料，且操作簡單，方便快捷，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備前面所述半導(dǎo)體材料的方法還可以包括以下區(qū)別技術(shù)特征:
[0016]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在步驟(2)中，通過機(jī)械球磨法或共蒸發(fā)法制備所述含有Cu、In、Ga、R和Se的五元復(fù)合材料。由此，操作簡單，生產(chǎn)效率較高，對設(shè)備沒有特殊要求，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述金屬單質(zhì)Cu、In、Ga、R和Se的純度均不低于99.99%。由此，制備獲得的半導(dǎo)體材料具有較佳的光電性能。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，制備前面所述半導(dǎo)體材料的方法包括:(a)將Cu、In、Ga、R和Se單質(zhì)的混合物進(jìn)行球磨，以便獲得所述金屬單質(zhì)混合物；(b)將所述金屬單質(zhì)混合物壓制成型，以便獲得成型材料；以及(C)將所述成型材料進(jìn)行退火處理，以便獲得所述五元復(fù)合材料。由此，能夠快速有效地制備獲得前面所述的半導(dǎo)體材料。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在步驟(a)中，以100?700轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進(jìn)行所述球磨5?15小時(shí)。由此，有利于提高制備獲得的半導(dǎo)體材料的光電性能和制備半導(dǎo)體材料的效率。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述金屬單質(zhì)混合物的粒徑不大于10微米。由此，有利于提高制備獲得的半導(dǎo)體材料的光電性能和制備半導(dǎo)體材料的效率。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在步驟(b)中，所述壓制成型的壓力不低于700兆帕。由此，能夠保證成型材料密實(shí)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在步驟(b)中，將所述金屬單質(zhì)混合物壓制成直徑為10厘米的圓片。由此，有利于后續(xù)步驟的進(jìn)行。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在步驟(C)中，于氬氣氣氛下，進(jìn)行所述退火處理。由此，能夠避免金屬原料被氧化。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在步驟(C)中，所述退火處理的溫度不高于800攝氏度，冷卻方式為爐內(nèi)自然冷卻。由此，制備獲得的半導(dǎo)體材料的光電性能較好，如果溫度過高，制備獲得的半導(dǎo)體材料的光電性能不理想。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在步驟(C)中，所述退火處理的溫度為400?450攝氏度，退火時(shí)間為4小時(shí)。由此，制備獲得的半導(dǎo)體材料的光電性能較佳。
[0026]在本發(fā)明的第三方面，本發(fā)明提供了前面所述的半導(dǎo)體材料在制備太陽能電池吸收層中的用途。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明前面所述的半導(dǎo)體材料，能夠有效用于制備太陽能電池吸收層，且通過摻雜稀土元素R，能夠在不影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的情況下，有效提高其透光性，在多結(jié)電池中為下層電池提供很好的光條件，用于光伏幕墻的太陽能電池可提供良好的室內(nèi)光線。另外，稀土元素具有“上轉(zhuǎn)換發(fā)光”的特點(diǎn)，使稀土摻雜的半導(dǎo)體材料吸收更大范圍的太陽光后釋放出可以被吸收層二次吸收的可見光，提高轉(zhuǎn)換效率。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述太陽能電池為薄膜太陽能電池。
[0028]在本發(fā)明的第四方面，本發(fā)明提供了一種形成太陽能電池吸收層的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括:采用前面所述的半導(dǎo)體材料作為靶材，通過