[發明專利]銅鋅錫硫薄膜太陽能電池的前驅體溶液及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202010410931.4
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111554760B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 辛顥;張一凡;龔元才;牛傳友;邱瑞蟬
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01L31/032
• 分類號: H01L31/032;H01L31/0445;H01L31/072;H01L31/18;C23C14/08;C23C14/18;C23C14/24;C23C14/35;C23C18/12
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 王路

本發明公開了一種銅鋅錫硫薄膜太陽能電池的前驅體溶液及其制備方法與應用，本發明公開了兩類可配制優質前驅體溶液的簡單金屬配合物，通過使用金屬配合物作為前驅體化合物，配制的前驅體溶液穩定性好，可用來制備結晶質量高，薄膜形貌好，無雜質相的銅鋅錫硫薄膜吸光材料，以此制備的銅鋅錫硫薄膜太陽能電池光電轉化效率高。金屬配合物的使用，簡化了前驅體溶液配制流程，提升了前驅體溶液質量，提高了光伏器件能量轉換效率，具有極大的工業應用潛力。

技術領域

本發明屬于新能源光伏發電技術領域，具體涉及一種銅鋅錫硫薄膜太陽能電池的前驅體溶液及其制備方法與應用，具體是用于光伏器件的制備與應用。

背景技術

能源短缺問題是制約人類未來發展的關鍵問題，可再生能源的開發和利用是解決該問題的優質方案，光伏發電技術是可再生能源中最具前景的發展方向。過去幾十年，以單晶硅和多晶硅為代表的硅基太陽能電池和以碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS)為代表的多元化合物半導體薄膜太陽能電池在能量效率方面取得了長足的進步，已成功實現商業化生產。目前單晶硅電池實驗室獲得的最高光電轉換效率達到26.7％，CIGS和CdTe薄膜太陽能電池在實驗室獲得的最高光電轉換效率也分別達到23.35％和22.1％。但由于硅半導體的低吸光系數，低缺陷耐受性差，Cd元素潛在的環境毒害性，In、Ga、Te元素的地殼資源稀缺性等因素，導致這些光伏器件的制作成本居高不下，難以與傳統能源進行市場競爭。銅鋅錫硫(CZTS)材料與銅銦鎵硒(CIGS)材料具有相似的晶體結構和光學帶隙，可見光范圍吸光系數＞10⁴/cm，帶隙在1.0～1.5eV范圍可調，與太陽能電池材料的最佳光學帶隙區間相匹配，具有較高的理論轉化效率(32.3％)，同時它的組成元素地球儲藏極其豐富，價格低廉，安全無毒，是有望取代銅銦鎵硒的新型低成本光伏材料。銅鋅錫硫膜層材料的制備方法主要分為真空法和溶液法兩大類。傳統的真空制備法以高真空環境為基礎，其材料制備過程能耗高，材料利用率較低。溶液法以化學溶液為基礎，無需真空環境，其能耗較低，可用于大面積成膜，還具備提高材料利用率和低溫加工等優點。

分子前驅體溶液法因工藝簡單，制備的電池轉換效率較高，在近些年頗受研究者關注。2013年IBM公司報道了基于肼溶劑的前驅體溶液法制備得到能量轉化效率為12.6％的銅鋅錫硫硒太陽能電池。但是由于肼的易爆性和高毒害性限制了該方法的應用。美國華盛頓大學Hillhouse課題組提出了低危害性的基于二甲基亞砜溶劑的前驅體溶液方案，但由于溶液中陽離子氧化還原反應的存在，限制了所制備的太陽能電池效率的提高。鑒于此，通過對溶液化學的研究，本發明公開一種簡單、新穎、穩定、綠色環保的前驅體溶液配制方案，該方案被成功應用于銅鋅錫硫膜硒膜層材料和銅鋅錫硫硒太陽能電池的制備，制備得到的銅鋅錫硫硒材料結晶質量高，形貌好，無雜相，其光伏器件能量轉化效率超過10％，表明該發明顯著的先進性。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種銅鋅錫硫(CZTS)薄膜太陽能電池的前驅體溶液及其電池制備方法與應用，以制備高效銅鋅錫硫太陽能電池為目的，通過使用銅鹽與硫脲形成的銅配合物作為銅的前驅體，錫鹽與二甲基亞砜或N,N-二甲基甲酰胺生成的錫配合物作為錫的前驅體，簡單鋅鹽作為鋅的前驅體，配制穩定的前驅體溶液，制備高質量、無雜質相的銅鋅錫硫吸光材料，制備高光電轉化效率的銅鋅錫硫薄膜太陽能電池。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種銅鋅錫硫太陽能電池的前驅體溶液，以二甲基亞砜DMSO或N,N-二甲基甲酰胺DMF為溶劑，前驅體化合物為溶質配制；所述前驅體化合物由金屬配合物、金屬化合物和硫脲組成，其中，所述金屬配合物為銅鹽與硫脲或硫脲衍生物形成的銅配合物、錫鹽與DMF或DMSO形成的錫配合物，金屬化合物為二價鋅鹽；將以上前驅體化合物溶解在DMSO或DMF溶劑中得到穩定、澄清透明的前驅體溶液。