[發明專利]一種制備高效銅銦硒和銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的方法

有效

• 申請號: 201810569850.1
• 申請日: 2018-06-05
• 公開（公告）號: CN108807145B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 辛顥;江晶晶;吳三平;閆偉博;余紹棠
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L31/18;H01L31/0392
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 張婷婷

本發明公開了一種制備高效銅銦硒和銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的方法，預先合成銅與銦或鎵的硫脲配合物，以此為原料配置前驅體溶液，用該前驅體溶液來制備CIS及CIGS薄膜太陽能電池的吸光層；通過尋找合適的銅、銦和鎵的化合物作為前驅體制備前驅體溶液，以期制備大面積均勻穩定的CIS、CIGS太陽能電池吸光材料。本發明方法對原料的純度要求較低，銅硫脲配合物用銅粉就能合成，銦和鎵的配合物可以用較低純度的InCl₃·4H₂O和GaCl₃合成，然后通過重結晶就能提純得到高純度的配合物，通過該方法可以節約原料成本。

技術領域

本發明屬于技術領域，具體涉及一種制備高效銅銦硒和銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的方法。

背景技術

銅銦鎵硒(CuInGaSe₂，CIGS)為直接帶隙半導體材料，吸光能力強，光學帶隙可調，穩定性好。以銅銦鎵硒(CIGS)作為活性層的薄膜太陽能電池因用料少、生產能耗低以及對材料的純度要求相對較低而成為近年來國際光伏市場發展的新趨勢和新熱點。經過多年的發展，目前CIGS太陽能電池的效率已與晶體硅電池相當。2017年12月，Solar Frontier公司制備的CIGS太陽能電池實驗室最高轉換效率達22.9％，[1]是目前已報道的薄膜太陽能電池中的最高光電轉換效率。然而目前高效率的CIGS太陽能電池都是通過真空法制備的，例如共蒸發法和濺射法。真空法不僅需要復雜的設備，制備工藝復雜，而且很難控制膜的均勻性和重復性，更難以實現大面積成膜。最近幾年，為了降低CIGS薄膜的生產成本，人們開始尋求非真空(溶液法)制備CIGS薄膜的方法。溶液法制備CIGS薄膜大致可以分為以下三類：(1)基于電化學原理的電沉積和電鍍技術。該方法是在電子工業界得到廣泛應用的成熟技術，可以實現大面積膜的制備，但是沉積CIGS這樣的多組分半導體材料是一個非常復雜的過程，因為每一種元素有不同的氧化還原電勢和還原動力學，為了很好地控制化學組成和相的均一性，往往需要多步沉積，工藝復雜。由該方法制備的CIGS的文獻最高效率為15.4％[2]；(2)基于納米顆粒懸濁液的印刷/涂布技術。該方法是將CIGS納米顆粒制備成懸濁液或者將一種或多種Cu、In、Ga、S、Se元素及其二元(三元)納米顆粒制備成懸濁液經過涂膜及后續結晶處理制備成CIGS薄膜。該方法制備的CIGS文獻最高效率為17.1％[3]；(3)基于分子基前驅體溶液的印刷/涂布技術。該方法將含有Cu、In、Ga、S/Se的分子前驅體直接溶解在溶劑中制備成純溶液，而后經過涂膜、熱處理制備成高結晶度的CIGS薄膜。該方法與其他溶液法相比具有以下優勢：a)精確控制各組分的化學配比；b)容易控制膜的均一性；c)制備簡單，一步成膜，不需要經過納米顆粒的合成；d)材料利用率高，理論上可以達到100％。Zhang等以肼為溶劑通過該方法制備出效率高達17.3％的CIGS電池[4]，該效率是目前由溶液法制備的CIGS薄膜電池的最高值。然而肼的易爆性和劇毒性限制了其商業應用。因此人們開始尋找肼的替代溶劑，并取得了一定的進展。Hillhouse課題組以二甲基亞砜(DMSO)為溶劑制得了效率分別為14.7％的CIGS和13％的銅銦硒(CIS)太陽能電池[5]。但是以DMSO制得的前驅體溶液穩定性差且需要高溫(120℃)旋涂。最近，我們課題組將硫脲、CuCl和InCl₃溶于二甲基甲酰胺(DMF)溶劑中制得了能在室溫下長期穩定存放的前驅體溶液，并以該前驅體溶液制備了效率為10.3％的CIS太陽能電池[6]。然而，由于InCl₃在該溶液中沒有與硫脲形成配合物，這使得在薄膜制備過程中容易生成銦的氧化物且制備的薄膜均勻性較差，不利于大面積電池的制備。為此，開發新的能夠制備大面積均勻穩定的CIS、CIGS半導體薄膜材料的前驅體溶液十分必要。

參考文獻；