[發(fā)明專利]一種高致密、單一四方結(jié)構(gòu)銅鋅錫硫材料的高壓制備方法

有效

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• 申請日: 2012-09-28
• 公開（公告）號: CN103178154A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姚斌;丁戰(zhàn)輝;李永峰;李永升
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種單一四方結(jié)構(gòu)的銅鋅錫硫光伏電池吸收層材料的高壓制備方法。?

背景技術(shù)

光伏太陽電池是以半導(dǎo)體P-N結(jié)接受太陽光照射時產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的器件。其光電轉(zhuǎn)換效率決定于太陽電池的結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)和性能及制備工藝。開展高效、環(huán)保、低成本和可持續(xù)生產(chǎn)的太陽電池的設(shè)計、制備和性能的研究，對廣泛利用太陽能為國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)有重要的意義。?

目前光伏太陽電池主要包括兩大類。一類是單晶和多晶硅太陽電池，最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到20.7％，已經(jīng)生產(chǎn)和使用，但由于生產(chǎn)成本高，冶煉過程環(huán)境不友善，限制了其廣泛的應(yīng)用；另一類是非晶硅、CdTe、GaAs和Cu(In，Ga)Se₂(CIGS)等化合物薄膜太陽電池，由于半導(dǎo)體薄膜太陽電池具有制造成本低、便于大面積連續(xù)生產(chǎn)等突出優(yōu)勢，近年來已成為國際光伏太陽電池市場發(fā)展的新趨勢。目前，CdTe、GaAs和CIGS薄膜太陽電池的實驗室最高轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到18％，26.1％和19.6％。但是Cd、Te、Ga和In等元素均為稀有金屬，生產(chǎn)成本高，且Cd和As是有毒元素，對環(huán)境和健康有害，造成這些材料難以批量可持續(xù)生產(chǎn)。因此，設(shè)計和制備具有高吸收系數(shù)、高轉(zhuǎn)換效率、低成本和環(huán)境友好的半導(dǎo)體材料成為光電領(lǐng)域重要研究課題。?

四方相結(jié)構(gòu)的Cu₂ZnSnS₄(CZTS)是直接帶隙p型半導(dǎo)體，禁帶寬度為1.5eV左右，吸收系數(shù)高達(dá)10⁴cm^-1。與CdTe，GaAs和CIGS相比，CZTS薄膜制備方法簡單，組成元素在地球的儲量豐富，價格低，無毒，因此被認(rèn)為是制備太陽電池的理想半導(dǎo)體材料。近年來人們利用電子束沉積，熱蒸鍍，磁控濺射，脈沖激光沉積和其它化學(xué)方法等技術(shù)，開展了CZTS薄膜太陽電池的制備和性能研究工作^[1-8]，取得了一定的進(jìn)展，目前，CZTS薄膜太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率為10％左右，但距離商業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用還相距甚遠(yuǎn)。?

目前，國內(nèi)外廣泛采用電子濺射、等離子體濺射以及激光脈沖沉積技術(shù)制備CZTS薄膜。制備過程中大多采用單一元素或化合物為原材料，并結(jié)合硫化過程。但由于形成單一相CZTS成分范圍很小，而硫和錫在高溫下易揮發(fā)，從而造成所制備樣品的成分偏離CZTS的化學(xué)計量比，產(chǎn)生雜相。由于高溫下制備單一相CZTS面臨很大困難，人們往往選擇在較低溫度下制備CZTS材料，但較低溫度下所制備的材料本征缺陷多，致密度低，晶粒尺寸較小，不利于載流子的運動，同時增大了光生電子或空穴的復(fù)合幾率，最終導(dǎo)致太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效?率降低。因此抑制硫和錫的高溫?fù)]發(fā)，實現(xiàn)在較高溫度下生長CZTS材料，是制備高致密、大晶粒、單一相CZTS材料的關(guān)鍵科學(xué)問題。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種利用高壓技術(shù)在較高溫度下合成出具有高致密度、晶粒尺寸較大、電阻率較小的單一四方相結(jié)構(gòu)CZTS光伏電池吸收層材料的方法。?

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：?

一種四方相結(jié)構(gòu)的銅鋅錫硫光伏電池材料，其特征在于：該材料由銅(Cu)，鋅(Zn)，錫(Sn)和硫(S)等四種元素組成，是以硫化亞銅(Cu₂S)，硫化鋅(ZnS)和二硫化錫(SnS₂)等三種化合物粉為原始材料，在高壓條件下高溫?zé)Y(jié)而成，其中Cu，Zn，Sn和S的原子比為2∶1∶1∶4。?

本發(fā)明所提出的單一四方相結(jié)構(gòu)的銅鋅錫硫光伏電池吸收材料制備方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：?

(1)將硫化亞銅，硫化鋅和二硫化錫三種化合物粉末按等摩爾數(shù)配比，混合均勻后，用冷壓方法壓制成型。?

(2)將成型的塊體在高壓條件下燒結(jié)，壓力為3～10GPa，燒結(jié)溫度為500～1500℃。?

本發(fā)明與現(xiàn)有的制備技術(shù)相比，具有以下顯著特點：?

①本技術(shù)可實現(xiàn)在高溫下進(jìn)行銅鋅錫硫材料的生長，并可避免生長過程中硫和錫的揮發(fā)以及對環(huán)境造成的污染。?

②所提供的銅鋅錫硫材料中Cu，Zn，Sn和S的原子比為2∶1∶1∶4，結(jié)構(gòu)為單一四方相，晶粒尺寸大于1微米。?

③本發(fā)明所提供的銅鋅錫硫光伏材料的高壓制造工藝簡單，成本低廉，可重復(fù)性好。?

④使用該材料制備太陽電池吸收層，與窗口材料的匹配性良好，使用壽命長。?