[發明專利]一種銅鋅錫硫薄膜的共電沉積制備方法

無效

• 申請號: 201310040588.9
• 申請日: 2013-02-03
• 公開（公告）號: CN103060861A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 向勇;張海濤;謝夢;張庶
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: C25D3/58
• 分類號: C25D3/58;C23C8/62
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及光電材料新能源技術領域，涉及用于薄膜太陽能電池吸收層的一種硫族化合物半導體薄膜，尤其是一種銅鋅錫硫薄膜的共電沉積制備方法。

背景技術

光伏發電采用的太陽能電池材料以硅基材料為主，主要產品為單晶硅和多晶硅太陽能電池。硅的禁帶寬度為1.2?eV,適合作為太陽能電池吸收層材料。這種產品模組光電轉化效率達到將近20%，而且工藝比較成熟。然而，硅基太陽能電池存在許多難以克服的缺點。例如硅為間接帶隙半導體材料，光吸收系數比較低。充分吸收太陽光需要上百微米的厚度，這樣就需要大量的硅材料，所以成本居高不下，功率密度也較低。雖然硅材料儲量豐富，但制造太陽能電池所用的硅材料冶煉過程中需要消耗大量的熱量，這通常由電能提供，所以硅基太陽能電池制造過程本身就是個極為耗能的產業，這也是硅基太陽能電池成本居高不下的原因之一。

一種化合物半導體——銅鋅錫硫具備了第三代太陽能電池吸收層的所有特征。禁帶寬度在1.0~1.5eV之間，處于太陽能電池理想禁帶寬度的范圍。可見光光譜范圍吸收系數大于10⁴cm^-1,所以只需要很薄的一層（小于三微米）就能充分吸收太陽能，節約了原材料成本。另外這種半導體的原材料皆為儲量及產量豐富的元素，原料供應充足及原材料成本低廉，應用前景廣闊。而且，目前銅鋅錫硫（硒）薄膜太陽能電池實驗室效率已經超過11%，按照目前的進步速度有望在幾年內達到效率超過15%的水平。

銅鋅錫硫薄膜太陽能電池的制備方法主要繼承于與其結構、性質相似的銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池，主要分為真空法和非真空法兩個方向。真空法雖然比較容易制備質量較高的膜層，但是需要高真空的環境，工藝條件比較苛刻，因此工藝成本難以大幅度降低。非真空法不需要苛刻的工藝條件得到更多的重視。電化學法作為非真空法中的重要一員具有許多優點，如電化學方法通常在室溫下進行，因此無需外部加熱，膜層與襯底之間沒有熱應力，減少了膜層與襯底的界面缺陷；電化學法易于制備大面積膜層；電化學法所用的溶液可以重復利用，減少了浪費和排放物對環境的污染；另外，電化學法的控制參數較少，因此重復性較好。

銅、鋅、錫三種金屬的電化學沉積工藝工業上已經非常成熟，所以現有的電化學法制備銅鋅錫硫薄膜一般以順序疊層電化學沉積單層金屬。這種方法需要嚴格控制每層的厚度來調節膜層的化學計量比。由于電化學沉積不可避免的存在邊緣效應，即陰極導電襯底的邊緣電場密度大于中心區域導致邊緣沉積速度比中心沉積速度快，導致膜層厚度不均勻。另外疊層沉積需要控制每層的表面形貌，否則基底粗糙的表面會使得下一層金屬層表面更加粗糙。即存在膜厚不均勻和表面形貌的累加效應，因此工藝條件嚴苛。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：基于上述電化學法制備銅鋅錫硫薄膜存在的問題提出一種銅鋅錫硫薄膜的共電沉積制備方法，該方法可在同一種溶液中同時沉積三種金屬，一步電沉積得到銅鋅錫三種金屬的前軀體薄膜，且成分、形貌易于控制，然后通過熱處理得到銅鋅錫硫薄膜。

本發明解決其技術問題采用的技術方案是：該種銅鋅錫硫薄膜的共電沉積制備方法，其特征是，其步驟包括：

1）將含銅、鋅、錫三種金屬陽離子的鹽和絡合物溶解于水中；

2）使用三電極法將陰極、陽極分別與導電襯底、惰性陽極連接，同時將參比電極置于溶液中且不與陰陽極連通；

3）打開電源，采用固定電位共沉積銅、鋅、錫三種金屬；

4）取出沉積的前驅體將其干燥；

5）將前驅體通過熱處理得到銅鋅錫硫薄膜。

可選的，步驟1銅、鋅、錫三種金屬陽離子濃度范圍為10mM～1M。

可選的，步驟1中的絡合物為檸檬酸鹽、酒石酸、酒石酸鹽、焦磷酸鹽中的一種或幾種。

可選的，步驟1中的絡合物濃度范圍為0mol/L～5mol/L。

可選的，步驟2的導電襯底為不銹鋼、ITO或鍍有導電層的絕緣材料中的一種。

可選的，步驟2的惰性陽極可以為鉑或者石墨。

可選的，步驟3中的固定電位范圍為0.1V～5V。

可選的，步驟3中的時間范圍為1秒～1小時。

可選的，步驟4中的干燥方法為烘干、吹干或自然干燥。

可選的，步驟5中的熱處理過程中采用的氣體可以是氦氣、氬氣、氮氣、硫氣、硫化氫中的一種或幾種。

可選的，步驟5中的熱處理時間范圍為1分鐘～24小時。

本發明具有以下突出的有益效果：??