[發明專利]一種溶膠-凝膠法制備大晶粒CZTS吸收層的方法

在審

• 申請號: 202010101827.7
• 申請日: 2020-02-19
• 公開（公告）號: CN111293182A
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 郝瑞亭;李曉明;郭杰;顧康;王云鵬;方水柳;劉慧敏;劉斌;王璐;孫帥輝
• 申請（專利權）人: 云南師范大學
• 主分類號: H01L31/032
• 分類號: H01L31/032;H01L31/0392;H01L31/0445;H01L31/18
• 代理公司: 南京蘇創專利代理事務所(普通合伙) 32273
• 代理人: 高麗

本發明公開了一種溶膠?凝膠法制備大晶粒CZTS吸收層的方法，屬于薄膜太陽電池領域。本發明通過旋涂5次制備第一前驅體薄膜，通過一次硫化，先得到較薄的第一吸收層，然后，在此基礎上再旋涂5次制備第二前驅體薄膜，通過二次硫化，最終得到完整的大晶粒CZTS吸收層薄膜。結果表明，兩次硫化所得薄膜結晶性好，表面致密連續，并且形成了從底部到頂部完整的大晶粒。

技術領域

本發明涉及太陽電池領域，具體涉及一種溶膠-凝膠法制備大晶粒CZTS吸收層的方法。

背景技術

由于化合物半導體薄膜太陽電池具有生產成本低并且易于實現工業化生產等優點，所以具有廣泛的應用前景。銅銦鎵硒（CIGS）電池在薄膜太陽能電池中單結轉換效率最高，達21.7%，且長期穩定性好、對環境污染小，但所含In、Ga元素稀缺，使其大規模產業化嚴重受限。將In、Ga和 Se替換為無毒無污染的 Zn、Sn和S，可得到晶體結構與物性類似于CIGS的半導體材料Cu₂ZnSnS₄（CZTS）。其中CZTS為P型直接帶隙半導體材料，禁帶寬度為1.45eV~1.50eV，光吸收系數超過10 ⁴ cm ^-1，只需要1.5μm~2.5μm厚的材料，就可以吸收絕大多數可見光，并且相比于鈣鈦礦太陽電池，CZTS太陽電池的穩定性更好，采用的Cu、Zn、Sn、S元素礦藏豐富無毒，因此CZTS已經成為薄膜的太陽能電池吸收層最佳候選材料之一。

常見的制備CZTS薄膜的方法可大致分為真空法和非真空法兩類。真空類制備方法包括濺射法、蒸發法等，非真空類方法包括溶膠-凝膠法、電沉積法、噴霧熱解法等。其中溶膠-凝膠法不需要昂貴和復雜的真空設備和條件，而且生產成本低，實驗操作簡便，能夠實現大面積生產，因此溶膠-凝膠法制備CZTS薄膜備受國內外科研人員關注。

目前CZTS類薄膜太陽電池的最高效率是基于無小顆粒層存在的大晶粒CZTS吸收層薄膜，溶膠-凝膠法制備的CZTS薄膜在傳統的一步硫化工藝下往往呈現上下分層的現象，上層是大晶粒層，下層是尺寸非常小的納米顆粒層的雙層結構，即表面的大晶粒層和底部細小的納米顆粒層，原因可能是硫蒸氣不能完全滲透整個薄膜，反應不夠完全所致，納米顆粒層會增加薄膜的串聯電阻，也會在晶界處增加電子與空穴的復合幾率，降低光生載流子的壽命，進而最終影響薄膜電池的效率。

發明內容

鑒于現有制備方法存在的薄膜晶粒尺寸小、底部存在納米顆粒層等缺陷，本發明的目的是提供一種溶膠-凝膠法制備大晶粒CZTS吸收層的方法，可以增大吸收層晶粒大小，解決薄膜底部存在碎小晶粒的問題。

實現本發明目的的技術方案是：一種溶膠-凝膠法制備大晶粒CZTS吸收層的方法，包括如下步驟：

（1）在潔凈的鈉鈣玻璃襯底上采用直流法濺射雙層結構的Mo背電極；

（2）配制前驅體溶液；

（3）以所述前驅體溶液采用旋涂法在Mo背電極上制備第一前驅體薄膜；

（4）用硫粉作為硫源，將步驟（3）所得樣品在N₂環境下進行硫化處理，得到第一吸收層薄膜；

（5）再次采用旋涂法在步驟（4）所得第一吸收層薄膜制備第二前驅體薄膜；

（6）用硫粉作為硫源，將步驟（5）所得樣品在N₂環境下進行退火處理，得到所述的大晶粒CZTS吸收層。

進一步的，步驟（1）中，雙層結構的Mo背電極包括高阻層和低阻層Mo薄膜，通過如下步驟制備：在潔凈的鈉鈣玻璃襯底上濺射高阻層Mo薄膜，濺射功率為200W，工作氣壓為1.2Pa，濺射時間為15min；接著濺射低阻層Mo薄膜，濺射功率為200W，工作氣壓為0.3Pa，濺射時間為100min。