[發明專利]一種銅鐵錫硒薄膜的制備方法

無效

• 申請號: 201410141014.5
• 申請日: 2014-04-09
• 公開（公告）號: CN103938169A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 孟憲寬;楊平雄;褚君浩
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/58;H01L31/032
• 代理公司: 上海麥其知識產權代理事務所(普通合伙) 31257
• 代理人: 董紅曼

技術領域

本發明涉及太陽能光伏材料技術領域，具體是指一種可作為薄膜太陽能電池吸收層的銅鐵錫硒薄膜的制備方法。

背景技術

隨著能源危機的不斷加深和環境污染的日益嚴重，太陽能電池作為一種可再生的、清潔的、無污染的能源越來越受到全世界各國的關注和重視。太陽能電池利用光生伏特效應直接將太陽能轉化為電能，迄今為止，已經有很多種類型的太陽能電池被人們所研究，例如：Si基太陽能電池以及GeTe太陽能電池太陽能電池等。在產業化過程中，大部分基礎原理性問題都得到解決，工藝也相對成熟，當前各大企業主要的問題集中在如何降低生產成本上。

針對上述問題，薄膜太陽能電池越來越受到人們所關注。相比于傳統的硅電池而言，薄膜太陽能電池不但具有較高的轉換效率并且成本也大大降低。目前薄膜太陽能電池中轉換效率最高，也是研究相對較成熟的是銅銦鎵硒Cu(In_x，Ga_1-x)Se₂(CIGS)薄膜太陽能電池，它具有成本低，性能穩定，吸收系數大，具有較大的光譜響應等特性，其最高實驗室轉換效率已達到20.3％。但這種電池的產業化依然沒有形成一定規模，其主要原因在于CIGS的制備。對于CIGS薄膜太陽能電池來說，其中元素銦(In)和鎵(Ga)屬于稀有元素，相對來說價格比較昂貴。因此為了進一步降低太陽能電池的成本，一種新型的薄膜吸收層銅鐵錫硒(Cu₂FeSnSe₄)引起了科研工作者的興趣，其利用地球上分布較廣、含量較多的元素鐵(Fe)和錫(Sn)來取代In，Ga。

目前，可以用來制備太陽能電池薄膜吸收層的方法有很多，其中主要包括濺射堆積法，共蒸發法和溶膠-凝膠法等。在這些方法中，兩步法--磁控濺射前驅體然后進行熱退火處理方法受到青睞，因為兩步法更加適合大面積生產以及具有良好的經濟實用性。最近，通過兩步法制備的Cu₂ZnSnSe₄(CZTSe)太陽能電池實驗室效率再創新高，已經達到了9.7％，這表明兩步法是一種極其有效的制備方法。并且可通過前驅體濺射沉積時對各層金屬濺射時間的控制進而達到精確調控薄膜組分，從而實現對CFTSe薄膜組份比例的微觀調控，為以后制備更高效率的太陽能電池打下基礎。當前實驗室中主要是利用溶膠凝膠法制備CFTSe薄膜，但薄膜結晶較差，表面粗糙度較大，并且各元素比例難以控制。本發明所提出的技術法案可以通過改變各金屬層在濺射時的時間，從而可以實現精確調控薄膜中各元素比例，并且通過磁控濺射以及后退火的工藝制備出的CFTSe薄膜具有致密，無孔洞，表面較平滑等特點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可用于作為薄膜太陽能電池吸收層的銅鐵錫硒薄膜(CFTSe薄膜)的制備方法。本發明通過控制各金屬層在濺射時的時間，從而可以實現精確控制薄膜中各元素含量，并且通過磁控濺射以及后退火工藝，制備得到的CFTSe薄膜Cu₂FeSnSe₄具有致密，無孔洞，表面較平滑等特點。本發明通過控制各金屬靶的濺射時間來實現控制薄膜的組分，后期退火可以通過優化退火參數來實現制備致密、表面平滑的CFTSe薄膜。

本發明提出的一種可用于作為薄膜太陽能電池吸收層的銅鐵錫硒薄膜制備方法，使用磁控濺射方法，在玻璃襯底上自下而上依次沉積錫、鐵、銅金屬層，得到層狀金屬薄膜前驅體；然后，將所述層狀金屬薄膜前驅體置于石墨盒中并加入硒粉，一同放置于管式快速退火爐中進行后硒化處理，得到目的產物銅鐵錫硒薄膜Cu₂FeSnSe₄；其中，所述銅鐵錫硒薄膜Cu₂FeSnSe₄中的各金屬元素含量是通過調節金屬層的濺射沉積時間來得到的。

其中，所述玻璃襯底的預處理步驟為，用洗潔精清洗玻璃襯底表面，然后再依次使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗，清洗后置于去離子水中保存。

本發明制備方法包括如下步驟：

(1)清洗玻璃襯底：首先使用洗潔精清洗玻璃襯底表面，然后再依次使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗，清洗后置于去離子水中保存；

(2)使用磁控濺射方法依次在玻璃襯底上沉積錫、鐵、銅金屬層，得到層狀的金屬薄膜前驅體；

(3)將上述中得到的層狀金屬薄膜前驅體置于石墨盒中并加入適量的硒粉，一同放入管式快速退火爐中進行后硒化處理，得到所述的銅鐵錫硒薄膜。