[發明專利]化學水浴制備太陽能電池吸收層CuInS2薄膜的方法

有效

• 申請號: 201611119880.X
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN106531845B
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發明（設計）人: 王偉煌;陳桂林;陳水源;黃志高
• 申請（專利權）人: 福建師范大學
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L31/032;C23C18/00
• 代理公司: 福州君誠知識產權代理有限公司35211
• 代理人: 張耕祥

技術領域

本發明涉及太陽能電池材料與器件技術領域，具體涉及一種化學水浴制備太陽能電池吸收層CuInS₂薄膜的方法。

背景技術

隨著社會經濟的快速發展，人們對化石能源的需求日益增長，傳統化石能源所面臨的困境越來越嚴峻。加之過度的化石能源的使用會對環境造成污染。因此，為了發展環境友好型經濟跟解決能源危機問題，尋找一種新型的替代性能源顯得尤為重要。太陽能是一種儲量豐富、清潔無污染的可再生能源。而將該能源直接轉化成電能的有效方式是光伏發電，即太陽能電池。

發展至今，太陽能電池種類繁多，其中銅銦鎵硒系列薄膜太陽能電池具有效率高、成本低廉、穩定性好、無毒等優點，所以被看作是一類具有最有很大發展潛力的薄膜太陽能電池。而銅銦鎵硒系列太陽能電池中的吸收層材料主要包括：銅銦鎵硒（Cu(In,Ga)Se₂）、銅銦鎵硫（Cu(In,Ga)S₂）、銅銦硒（CuInSe₂）、銅鎵硒（CuGaSe₂）銅銦硫（CuInS₂）、銅鎵硫（CuGaS₂）等薄膜。其中銅銦硫（CuInS₂，CIS）作為一種直接帶隙半導體，其具有與太陽光譜較為匹配的帶隙寬度（1.50eV），吸收系數（10⁵cm^-1）較大，原料便宜等優點，具有很好的產業化發展前景。目前基于磁控濺射制備CIS薄膜為吸收層，取得了超過12.5%效率的太陽能電池；進一步通過使用Ga部分替代CIS中的In已經取得了21.7%的太陽能電池轉換效率； 基于CIS為吸收層，通過使用Al部分替代In獲得了16.9%的電池轉換效率。因此這種新型的無機薄膜太陽能電池有著巨大的應用前景和商機。

當前制備CIS太陽能電池吸收層材料的方法有很多，大致可分為真空法和非真空法兩大類。其中真空法主要包括磁控濺射、熱蒸發法等方法，這類方法所需設備比較昂貴，生產成本較高；而非真空法可分為電沉積、溶膠凝膠法、化學水浴沉積法及納米顆粒法等，這類方法具有制備過程簡單、制備成本廉價、易于大規模生產等多種優點，得到了更多關注和研究。其中化學水浴沉積法具有過程簡單、成本低等特點，有利于實現大規模化生產。經對現有技術文獻專利檢索發現，吸收層CIS薄膜非真空法制備方面的專利有很多，例如利用硼氫化鈉還原銅鹽和銦鹽制備Cu-In合金納米顆粒，進而將其溶解在有機溶劑中制備成Cu-In合金墨水，涂覆在Si片，Mo片或者玻璃等襯底上制備成前驅體薄膜。而后，在含有H₂S/Ar混合氣氛中燒結成為表面呈納米棒陣列的CuInS₂薄膜（申請號201110362766.0）。整個實驗過程周期長，涉及有機化學藥品，步驟較多，操作難度大。因此本專利專注于此問題，采用操作簡單、制備周期短，安全無毒的方法制備出前驅薄膜，再通過在硫氣氛中熱進行處理，獲得均勻大面積、高質量的CIS薄膜。

發明內容

本發明的目的是提出一種低成本化學水浴制備化合物薄膜太陽能電池吸收層CuInS₂ （CIS）薄膜的方法。此方法先利用化學水浴沉積制備出In₂S₃/Cu₂O前驅體，并經過硫（S）氣氛中熱處理獲得CIS薄膜的方法，該方法具有合成工藝簡單、制備設備簡單、可大面積均勻制備、成膜致密、薄膜成分以及厚度易控等優點，適用于大規模的工業生產。

為實現本發明的目的所采用的技術方案是：

步驟一：對襯底表面進行清洗，利用化學水浴沉積法，將襯底浸泡于硫化銦（In₂S₃）沉積液中，沉積5-60min后得到硫化銦薄膜；

步驟二：利用化學水浴沉積法，將沉積有硫化銦薄膜的鉬（Mo）襯底浸泡于氧化亞銅（Cu₂O）沉積液中繼續沉積一層氧化亞銅（Cu₂O）薄膜，沉積5-60min后獲得的In₂S₃/Cu₂O前驅體；

步驟三：將獲得的In₂S₃/Cu₂O前驅體，置于硫（S）氣氛下在密閉或者流通的管式爐內進行退火制得本發明所述的太陽能電池吸收層CIS薄膜。