[發(fā)明專利]一種水浴疊層制備太陽能電池吸收層材料CZTS/CZTSSe的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410490373.1
• 申請日: 2014-09-23
• 公開（公告）號: CN104269460A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李建民;劉偉豐;江國順;朱長飛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L31/032
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王旭

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及太陽能電池材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種太陽能電池吸收層材料CZTS/CZTSSe的制備方法。

背景技術(shù)

目前化石燃料仍然是當今人類社會的主要能源，但是由于不可再生性、使用具有污染性，導(dǎo)致能源危機、環(huán)境污染、全球氣候變暖等全球性問題，因此尋求一種環(huán)保且具有可再生的能源是亟待解決的問題。太陽能是一種儲存豐富的可再生資源，其中，光伏電池的誕生為人類社會提供了一種全新使用太陽能方案。

在眾多太陽能電池研究中，銅鋅錫硫硒(CZTSSe)薄膜太陽能電池，由于其銅、鋅、錫、硒、硫元素地球儲量非常豐富，是一種直接帶隙半導(dǎo)體且其禁帶寬度與太陽能電池所要求的最佳帶隙寬度(1.5eV)十分匹配，吸收系數(shù)(10⁴cm^-1)也較大，因此作為一種替代銅銦鎵硒(CIGS)無機薄膜太陽能電池被廣泛研究。目前基于CZTS為吸收層的太陽能電池效率已經(jīng)達到8.4％，基于CZTSe為吸收層的太陽能電池效率達到了9.6％，而基于S和Se相互取代的CZTSSe吸收層的太陽能電池效率已經(jīng)達到12.6％。因此這種替代型的無機薄膜太陽能電池有著巨大的應(yīng)用前景和商機。

目前制備CZTS/CZTSSe吸收層的方法有很多，主要是磁控濺射、化學(xué)氣相沉積(CVD)、激光脈沖沉積(PLD)等一類的真空方法和電沉積、基于溶液以及納米顆粒的非真空的方法。其中非真空的方法由于其相對簡單的制備工藝、廉價的制備成本、易于大規(guī)模生產(chǎn)的多種優(yōu)點，得到了更多關(guān)注和研究。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻專利檢索發(fā)現(xiàn)，在制備CZTS吸收層的方法中，已經(jīng)有利用連續(xù)離子層吸附反應(yīng)方法制備出Cu₂SnS_x薄膜和ZnS薄膜疊層預(yù)制層或者Cu₂S和ZnSnS_x薄膜疊層預(yù)制層結(jié)構(gòu)，然后進行熱處理得到CZTS吸收層薄膜的專利(申請?zhí)?01110189391.2)。對于此專利中ZnS薄膜利用連續(xù)離子層吸附反應(yīng)方法制備需要較長時間周期問題，有專利(申請?zhí)?01210030399.9)提出利用更為簡單的化學(xué)水浴制備ZnS薄膜的方法，但是同樣利用連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法制備(Cu，Sn)S復(fù)合薄膜并解釋原因為：化學(xué)浴工藝較難得到(Cu，Sn)S復(fù)合薄膜。但是同樣離子層制備(Cu，Sn)S復(fù)合薄膜需要較長的時間周期，因此本專利專注于此問題，進一步研究將全部使用水浴法制備疊層薄膜的方法，例如：glass/SnS/Cu/ZnS，更為快速簡單的制備出前驅(qū)膜，再通過在硫或者硒氣氛中熱處理，獲得均勻大面積、帶隙匹配的高質(zhì)量CZTSSe薄膜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種低成本溶液方法制備太陽能電池吸收層材料CZTS/CZTSSe的方法。本發(fā)明所使用的是化學(xué)水浴法制備金屬硫化物和金屬混合疊層薄膜的方法，具有制備設(shè)備簡單不復(fù)雜、制備工藝簡單、制備成本低廉、可大面積均勻制備、薄膜成分以及厚度易控等優(yōu)點，適用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。

具體地，本發(fā)明涉及如下各項：

1.一種水浴疊層制備太陽能電池吸收層材料CZTS/CZTSSe的方法，所述方法包括以下步驟：

步驟一：選擇襯底，對襯底表面進行清洗獲得清潔襯底并配置沉積液，所述沉積液為：沉積SnS薄膜所需沉積液、沉積Cu薄膜所需沉積液以及沉積ZnS薄膜沉積液；

步驟二：在步驟一所述清潔襯底上以任意順序連續(xù)沉積SnS、Cu、ZnS三層薄膜，并用氮氣吹干，真空保存；

步驟三：將在步驟二得到的含有SnS、Cu、ZnS薄膜的疊層薄膜，在硫或者硒氣氛下進行熱處理，最終得到CZTS或者CZTSSe吸收層薄膜。

2.根據(jù)1所述的方法，其特征在于，步驟一中所述襯底為鍍鉬薄膜、鈉硅玻璃以及金屬箔中的一種。

3.根據(jù)3所述的方法，所述沉積SnS薄膜所需沉積液液包含：濃度為0.02-0.06M亞錫鹽，體積分數(shù)為2％-8％的絡(luò)合劑，濃度為0.06-0.12M的含硫化合物以及用來調(diào)節(jié)pH的堿性溶液。

4.根據(jù)2所述的方法，其中所述亞錫鹽可以是氯化亞錫、草酸亞錫或硫酸亞錫中的一種或幾種；所述絡(luò)合劑為三乙醇胺；所述含硫化合物可以是硫代乙酰胺、硫代硫酸鈉或者硫脲中的一種或幾種；所述用來調(diào)節(jié)pH的堿性溶液可以是氨水、NaOH以及KOH溶液中的一種或幾種；沉積溫度控制在25-60℃，沉積時間3-8h。