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　　[0001]本发明涉及太阳能电池领域，尤其是涉及一种光伏材料及其制备方法和在太阳能电池中的应用。

　　[0002]近年来，太阳能电池材料的发展逐渐由以晶体硅为代表的第一代太阳能电池，向更低成本的第二代薄膜太阳能电池发展。以晶体硅为代表的第一代太阳能电池和第二代的薄膜太阳能电池的发展已经日趋成熟。然而这两类电池均采用单个能隙吸收太阳能，能量低于能隙的光子无法得以利用(图1左2过程)，同时能量高于能隙的光子的能量又无法完全得以转化(图1左3过程)，所以根据Shockley-Queisser理论，极限转化效率只能达到31%。

　　[0003]第三代太阳能电池的研宄，突破传统单能隙吸收材料采用单个能隙吸收太阳能对光利用率较低的缺点，通过新型的材料或者器件来拓宽太阳光吸收光谱，中间带材料太阳能电池是其中的典型代表(图1右所示)。如今对中间带太阳能电池的研宄多依托于较为成熟的第一代、第二代太阳能电池材料。为了达到最大的转化效率，单能隙材料和中间带材料对能隙大小有着不同的要求。单带隙材料的最佳能隙在1.1eV左右，而中间带材料的最佳能隙应该在2.0eV左右。因此硅(Si)以及砷化镓(GaAs)材料由于能隙较小(Si约为

　　[0004]以铜铟镓砸为代表的铜基半导体材料，其制造工艺已经日趋完善，是理想的第二代薄膜太阳能材料。然而铟和镓元素成本较高，因此对宽带铜基材料中间带掺杂改性以降低成本、增加效率，具有非常重大的意义。

　　[0005]基于此，有必要提供一种成本低且能作为杂质中间带材料的光伏材料及其制备方法和在太阳能电池中的应用。

　　[0006]本发明提供一种光伏材料，分子式为CuAl(1_y)Se(2_y)X2y，具有类似CuAlSeJ^正方晶系黄铜矿型结构，X替代部分Al和Se原子的晶格位置，y = 0.05?0.2，并且X为第V族元素。上述材料可以同时吸收近红外和可见波段的太阳光。使用该新型材料作为吸收层制作光伏器件时，既可以具有宽禁带半导体的高电压特性，也具有窄禁带材料的高电流特性，从而使得光伏器件具有更高转化效率。另外上述光伏材料不含铟和镓，降低了成本。

　　[0007]本发明提供一种太阳能电池材料，包括上述分子式为CuAl(1_y)Se(2_y)X2j^光伏材料。与单带隙(带隙宽度约为2.7eV)的CuAlSe2中相比，上述光伏材料具有2.5eV左右的能隙，由于中间带的存在，由其制备的太阳能电池，理论效率达48%。

　　[0008]本发明还提供了上述光伏材料的制备方法，通过共蒸发法，在高温条件下，将X元素、铜、销、砸的蒸发靶材加热蒸发沉积成CuAl (1_y)Se(2_y)X2$伏材料。该制备方法基于传统铜基半导体材料制备方法，工艺简单，经济有效。

　　[0011]图3为当X取代CuAlSe2的部分Al原子和Se时原子的晶体超单胞结构示意图；

　　[0017]如图1所示，通过对传统的单能隙半导体铜铝锡晶体基底掺杂，得到一种新的“中间带太阳能电池”的光伏材料，中间带材料存在如图1右所示的特殊能带结构，从而可以吸收更宽波段的太阳能，其理论转化效率极限可达42 %，在聚光条件下可高达63%。中间带太阳能电池能够在不改变电池开路电压的同时，提高电池的短路电流，从而提高电池的转换效率。理论研宄表明，中间带材料的费米面需要穿过中间带，因此中间带材料的态密度必须足够大，才能使有害的掺杂杂质带变为有利于拓宽吸收波谱的中间带。优选地，采用铜基材料作为基底，元素丰度较大且工艺较为完善，可以大大降低原料及制造成本。

　　[0018]—实施方式的光伏材料，分子式为CuAl(1_y)Se(2_y)X2y，具有类似CuAlSe2的正交晶系黄铜矿型结构，X替代部分Al原子和Se原子的晶格位置，y = 0.05?0.2，并且X为第V族元素。

　　[0019]上述光伏材料，X同时取代Al和Se的晶格位置，将在能隙中合适的位置产生高态密度的中间带，形成的中间带能级相对较深，中间带差不多处于禁带中央，将原来的禁带分割为两个带隙合适的能带，有利于提高光吸收，用于太阳能电池可提高能量转化效率。另外上述光伏材料不含铟和镓，降低了成本。

　　[0020]特别的，替代Al原子和替代Se原子晶格位置的X原子比例为1:1。由于P对Al和Se的取代产生不同电性的离子，取代Al和Se的位置会倾向于相互靠近形成稳定的取代对，因此替代Al原子和替代Se原子晶格位置的X原子比例为1: 1，同时稳定的取代对有助于高浓度掺杂材料的形成。

　　[0022]单能隙半导体过共价键结合，有一定离子键成分，结构如图2所示。CuAlSe2为直接带隙半导体，室温禁带宽度2.70eV，晶格常数为0.5603nm，一般为p型材料，空穴迀移率I X 10_4m2/ (V.s)。

　　[0024]上述光伏材料的制备过程中，采用不同的化学配比，会在半导体材料中产生不同的杂质相。通过精确地化学配比可以产生特定杂质相。从而制造特别的功能材料。根据计算得知，当Al和Se有着1: 2的准确配比的条件下，掺杂的P将可以同时取代Al和Se原子，由于P对Al和Se的取代产生不同电性的离子，取代Al和Se的位置会倾向于相互靠近形成稳定的取代对，这将有助于高浓度掺杂材料的形成。这一取代产生的效果是在原来的能隙中形成新的中间带。中间带的态密度由P的掺杂浓度决定。特别地，较为合理的掺杂浓度为5%到20%之间。

　　[0026]由图4-6可以看出，X只替代部分Al原子或只替代部分Se原子的晶格位置，不能形成合适的中间带能级，只有在X同时取代Al和Se的晶格位置，才能在能隙中合适的位置产生高态密度的中间带，形成的中间带能级相对较深，中间带差不多处于禁带中央，将原来的禁带分割为两个带隙合适的能带。

　　[0028]上述光伏材料引入杂质中间带，拓宽了对太阳光的吸收光谱，可同时吸收近红外和可见波段的太阳光。使用该新型光伏材料作为吸收层制作光伏器件时，既可以具有宽禁带半导体的高电压特性，也具有窄禁带材料的高电流特性，从而使得光伏器件具有更高转化效率。

　　[0029]参阅图7，一实施方式的太阳能电池，包括依次层叠的金属栅极、减反射层、窗口层、过渡层、光吸收层、空穴传输层、钼电极、玻璃衬底。其中，光吸收层的材料为上述的C

　　技术研发人员：薛艳君;李晓光;顾光一;钟国华;武光芬;李朝辉;罗海林;杨春雷;肖旭东;

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