[發明專利]一種銅鋅錫硫薄膜太陽電池

在審

• 申請號: 201811301706.6
• 申請日: 2018-11-02
• 公開（公告）號: CN109560159A
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 郭杰;劉斌;郝瑞亭;劉欣星;王璐;顧康;王飛翔;李勇;吳鵬
• 申請（專利權）人: 云南師范大學
• 主分類號: H01L31/072
• 分類號: H01L31/072;H01L31/0336;H01L31/18;C23C14/35
• 代理公司: 南京蘇創專利代理事務所(普通合伙) 32273
• 代理人: 王華

本發明公開了一種銅鋅錫硫薄膜太陽電池，包括依次連接的玻璃襯底、背電極、吸收層、第二中間層、緩沖層、透明導電窗口層和上電極，其中，所述背電極為Mo薄膜，厚度為1μm；所述吸收層為磁控濺射沉積的銅鋅錫硫薄膜，厚度為900?1500nm；所述第二中間層為ZnS薄膜，厚度為10nm；所述緩沖層為CdS薄膜，厚度為30~50nm；所述透明導電窗口層為依次沉積的50~80nm的i?ZnO薄膜和500~600nm的ZnO:Al薄膜；所述上電極為蒸發鍍銀電極。本發明從設計上引入兩個中間層，增大了銅鋅錫硫晶粒尺寸，減小了二硫化鉬高阻層厚度，減少了銅鋅錫硫因Mo擴散造成的分解，減少了銅鋅錫硫電池中最主要的兩處界面復合和界面缺陷，減小了表面暗電流，延長了少子壽命，提高了少數載流子的收集效率。

技術領域

本發明涉及太陽能電池領域，具體涉及一種銅鋅錫硫（CZTS）薄膜太陽電池。

背景技術

隨著全球能源短缺和環境氣候惡化的問題日益加重，人類迫切需要在近幾十年之內找到一種能夠替代化石燃料的可再生清潔能源，并且能夠實現大規模應用以適應人類社會發展對能源不斷增長的需求。太陽能資源以其分布地域廣、清潔無污染、資源豐富、永不枯竭等優點，是最理想的可再生能源。太陽能光伏發電是太陽能利用的最佳方案之一，而低成本、無污染、高轉換效率的太陽光伏電池一直是追求的目標。

銅鋅錫硫（Cu2ZnSnS4,CZTS）薄膜太陽電池因其具有成本低、光電轉化效率高、吸收系數高、禁帶寬度合適和環境友好等優點，近年來成為薄膜電池研究的熱點。

眾所周知，制備性能良好的CZTS電池過程中，背電極和CZTS吸收層之間容易產生二硫化鉬造成CZTS分解產生二次相，這些二次相成為陷阱中心，降低了少子收集率，導致開路電壓降低，最后導致電池效率降低。而傳統控制二次相生成的手段僅僅是依靠技術人員的經驗通過控制預制層元素比率，硫化時的腔室氣壓、溫度、時間等綜合調控因素，無定量執行數據。CZTS吸收層和CdS緩沖層之間因為高達7%的晶格失配也導致大量的異質界面的晶體位錯、產生界面復合中心，降低了少子壽命和擴散長度，對少數載流子的收集造成不利影響。

發明內容

本發明的目的是提供一種銅鋅錫硫薄膜太陽電池，有效提高CZTS薄膜電池的載流子壽命和少子收集率，最終提高了CZTS器件的性能。

本發明所述的銅鋅錫硫薄膜太陽電池，包括依次連接的玻璃襯底、背電極、吸收層、第二中間層、緩沖層、透明導電窗口層和上電極，其中，所述背電極為Mo薄膜，厚度為1μm；所述吸收層為磁控濺射沉積的CZTS薄膜，厚度為900-1500nm；所述第二中間層為ZnS薄膜，厚度為10nm；所述緩沖層為CdS薄膜，厚度為30~50nm；透明導電窗口層(6)包括一層50~80nm的i-ZnO薄膜和一層500~600nm的ZnO:Al薄膜，其中，i-ZnO薄膜與緩沖層(5)連接；所述上電極為蒸發鍍銀電極。

進一步的，所述的吸收層為（112）,（220）,（312）高度擇優取向的CZTS薄膜，通過在背電極上依次沉積第一中間層和銅鋅錫硫預制層后，于560±10℃的硫氣氛下熱處理45~60min后制得，其中，第一中間層為ZnO薄膜，以氧化鋅靶為靶材，采用磁控濺射沉積得到，其厚度為10~20nm；銅鋅錫硫預制層以硫化鋅靶與銅錫合金靶為靶材，采用磁控濺射分步沉積得到，其厚度為700-800nm。

上述銅鋅錫硫薄膜太陽電池的制備方法，包括如下步驟：

（1）采用磁控濺射法在同一腔體中依次在玻璃襯底上沉積背電極Mo薄膜、第一中間層ZnO薄膜、銅鋅錫硫預制層；

（2）上述樣品于560±10℃硫氣氛下熱處理45~60min后，所述第一中間層ZnO薄膜與銅鋅錫硫預制層發生反應生成吸收層銅鋅錫硫薄膜；

（3）采用磁控濺射法在吸收層上沉積第二中間層ZnS薄膜；

（4）采用化學水域法（CBD）在第二中間層上沉積緩沖層CdS薄膜；