[發明專利]一種柱狀晶粒銅鋅鎘錫硫硒薄膜吸收層的制備及其在太陽能電池中的應用

有效

• 申請號: 201710962898.4
• 申請日: 2017-10-17
• 公開（公告）號: CN107611019B
• 公開（公告）日: 2020-03-27
• 發明（設計）人: 徐娜;孟磊;袁亞晴
• 申請（專利權）人: 吉林化工學院
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L31/0216;H01L31/18
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一種柱狀晶粒的銅鋅鎘錫硫硒(CZCTSSe)薄膜吸收層的制備及其在太陽能電池中的應用，屬于薄膜太陽能電池技術領域。吸收層表面致密，晶粒尺寸為200nm～500nm。吸收層斷面由柱狀晶粒緊密排列組成，薄膜內部無孔洞及裂紋。柱狀晶粒CZCTSSe吸收層晶粒尺寸較小均一，且形成的柱狀晶粒能有效減少孔洞的出現。該吸收層為單一相Kesterite類閃鋅礦結構，沿(112)晶面擇優生長。以柱狀晶粒CZCTSSe為吸收層，合成出Mo/CZCTSSe/CdS/i?ZnO/ZnO:Al/Al銅基薄膜太陽能電池。結果發現，以相同條件合成的4個太陽能電池的開路電壓為0.38～0.43V；短路電流為30.9～35.1mA cm²；轉換效率為7.03％～7.12％。說明該太陽能電池轉換效率較為穩定，浮動較小且效率較高。

技術領域

本發明屬于薄膜太陽能電池技術領域，具體涉及一種柱狀晶粒銅鋅鎘錫硫硒薄膜吸收層的制備及其在太陽能電池中的應用。

背景技術

隨著科學技術的飛速發展，全球性能源危機以及日益突出的環境問題使人們更加重視新型環保能源材料的研究和開發。太陽能作為一種清潔、高效的能源，具有照射普遍、環境友好、儲量巨大、使用長久的特點，成為未來能源的最佳選擇。在太陽能的有效利用中，銅基材料制備的太陽能電池以其轉換效率高、成本低并且具有抗干擾、耐輻射能力強的特點而受到各國光伏研究人員的廣泛關注。銅基薄膜太陽能電池的吸收層決定著電池的能量轉換效率等重要性能，這是因為吸收層在能量轉換過程中扮演著吸收太陽能并分離、輸運光生載流子的作用。因此，研究吸收層有著至關重要的意義。

在銅基薄膜太陽能電池中，應用最為廣泛的兩種吸收層分別為，銅銦鎵硒[Cu₂(In,Ga)Se₂]和銅鋅錫硫硒[Cu₂ZnSn(S,Se)₄]薄膜吸收層材料。相比于Cu₂(In,Ga)Se₂，Cu₂ZnSn(S,Se)₄所含元素在地球儲量較為豐富，且毒性較小。被認為是未來取代Cu₂(In,Ga)Se₂的理想吸收層。目前以Cu₂ZnSn(S,Se)₄為吸收層的銅基薄膜太陽能電池的最高轉換效率可以達到12.6 %。但是，由于Cu₂ZnSn(S,Se)₄中銅離子與鋅離子的離子半徑十分相近，很容易造成銅、鋅離子在晶格結構中位置互換，從而在吸收層中出現大量的雜質相及點缺陷。另一方面，目前較為成熟的制備Cu₂ZnSn(S,Se)₄吸收層的方法主要是化學溶液旋涂法。該方法首先配制Cu₂ZnSn(S,Se)₄分子基溶液或納米粒子溶液，然后通過旋涂以及硒化熱處理的方法形成薄膜吸收層。這種方法盡管制備簡單，但是所形成的薄膜由粒狀晶粒組成，晶粒之間存在大量孔洞。以上兩種問題容易使制備出的銅基薄膜太陽能電池轉換效率不穩定，成品率較低，是制約該類電池產業化發展的主要因素。

針對銅、鋅離子互換的問題，Fu等人在原有的Cu₂ZnSn(S,Se)₄吸收層的基礎上，摻雜鎘離子(Chem. Mater., 2016, 28, 5821～5828)，制備出銅鋅鎘錫硫硒Cu₂Zn_xCd_1-xSn(S,Se)₄[x=0.95] (CZCTSSe) 吸收層。由于鎘離子半徑遠大于銅離子半徑，且與鋅元素屬于同一主族元素。所以鎘摻雜可以有效抑制銅、鋅離子在晶格位置上的互換，從而減少雜質相以及缺陷的出現。然而，針對在銅鋅鎘錫硫硒薄膜吸收層中由于粒狀晶粒排布而導致的孔洞較多的問題，目前還沒有有效的解決方法。因此，發明一種晶粒排布緊密、無孔洞的CZCTSSe薄膜吸收層的制備方法是該類太陽能電池發展中需要克服的關鍵技術問題之一。

發明內容