[發明專利]一種微米級銅鍺鋅錫硫單晶顆粒的制備方法及其單晶顆粒和太陽能電池

有效

• 申請號: 201610168320.7
• 申請日: 2016-03-23
• 公開（公告）號: CN105624773B
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: 張軍;廖峻;邵樂喜;王磊
• 申請（專利權）人: 嶺南師范學院
• 主分類號: C30B9/12
• 分類號: C30B9/12;C30B29/46;H01L31/0392;H01L31/18;H01L31/042
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 張月光;林偉斌

本發明公開了一種微米級銅鍺鋅錫硫單晶顆粒的制備方法及其單晶顆粒和太陽能電池，首先按照設計的配方混合反應原料制備前驅體，將前驅體真空封裝，一定溫度下熔融生成CGZTS單晶顆粒；另外以環氧樹脂、阿拉伯樹膠為大分子材料，把微米級CGZTS單晶顆粒嵌入大分子材料中制備單晶顆粒薄膜，再制備各種功能層形成完整的電池。由于單晶顆粒的制備和單晶顆粒吸收層膜的制備過程是分開的，在單晶顆粒制備過程中可以使用高溫環境，從而實現對CGZTS的組分進行有效的控制，而無需考慮吸收層制備條件對襯底，窗口層、緩沖層等的影響，該方法在材料與能源利用率和工業化生產方面具有明顯的優勢。

技術領域

本發明涉及半導體光電材料與器件技術領域，更具體地，涉及一種微米級銅鍺鋅錫硫單晶顆粒的制備方法及其單晶顆粒和太陽能電池。

背景技術

多元化合物CuInGaSe₂(CIGS)薄膜太陽能電池具有較高的轉換效率，易于大規模生產，成為了目前最具有發展潛力的太陽能電池材料，目前CIGS電池是世界上光電轉換效率最高的薄膜太陽能電池，其最高轉換效率已達21.7％。但其組成元素In和Ga在地球上資源缺乏，導致CIGS薄膜電池很難實現太瓦(10⁹kW)級別的大規模應用。

銅鋅錫硫(CZTS)基薄膜被認為是最有希望取代CIGS薄膜太陽能電池吸收層的新型化合物半導體。目前，CZTS基薄膜太陽能電池的轉換效率達到了12.6％，而根據理論模型計算，單結CZTS基薄膜電池的極限轉換效率可達30％，兩者相差很大，即便與CIGS目前的最高轉換效率21.7％相比，也有較大差距。這說明CZTS基薄膜電池效率還具有非常大的提升空間。CZTS基薄膜中載流子的擴散長度偏小，導致材料深處產生的電荷不能被有效收集，器件轉換效率難以提升，如果能對CZTS薄膜能帶寬度進行有效的調控，將會引導并增強電子從薄膜的深處向表面的擴散，從而極大地提高電荷收集效率來增加器件的電流，同時提高器件的開路電壓，對于提升器件效率也是非常關鍵的。

目前，CZTS基太陽能電池吸收層的制備主要集中多元共蒸發、脈沖激光沉積、濺射后硫化硒化、電化學成膜后硒化硫化等真空工藝和熱注入、溶劑熱、水熱法、噴霧熱解等非真空工藝上，與二元和三元化合物半導體相比，CZTS基這類化合物半導體由于組成元素的增加，導致其具有更加復雜的物理性質，因此這類化合物的高效率薄膜電池的制備和性能優化變得更加困難；同時CZTS相的熱力學穩定區域非常小，各種雜質相、亞穩相與CZTS相互競爭，因此在CZTS基薄膜制備過程中，如果沒有實現有效的組分控制，由于部分元素揮發，導致偏離化學計量比，極易伴隨出現各種二元、三元雜相及一些亞穩相，最終對CZTS基電池性能帶來不利影響；在制備太陽能電池時，單晶電池的性能比薄膜電池的性能更好，但是，傳統的單晶生長技術(氣相傳輸技術、熔融技術)很難生長出符合太陽能電池吸收層性能要求的大尺寸單晶。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有存在的上述缺陷，提供一種微米級銅鍺鋅錫硫單晶顆粒的制備方法。

本發明的第二個目的是提供上述制備方法得到的銅鍺鋅錫硫單晶顆粒。

本發明的第三個目的是提供含有上述銅鍺鋅錫硫單晶顆粒的太陽能電池。

本發明的第四個目的是提供上述銅鍺鋅錫硫單晶顆粒在制備太陽能電池方面的應用。

本發明的第五個目的是提含有所述銅鍺鋅錫硫單晶顆粒的太陽能電池的制備方法。

本發明的目的是通過以下技術方案予以實現的：

一種微米級銅鍺鋅錫硫單晶顆粒的制備方法，包括以下步驟：

S1.將反應原料單質銅粉末/CuS粉末、單質鋅粉末/ZnS粉末、單質錫粉末/SnS粉末、單質硫粉末和單質鍺粉末按一定比例混合，加入助熔劑，研磨混合均勻配制成前驅體；

S2.將前驅體裝入石英反應容器中，抽真空或通入惰性氣體后密封石英反應容器；