[發(fā)明專利]一種具有硫組分梯度的銅鋅錫硫硒薄膜的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011448304.6
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112563117B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王書榮;楊帥;徐信;李新毓;李祥;王亭保
• 申請（專利權(quán)）人: 云南師范大學(xué)
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L31/0216;H01L31/18
• 代理公司: 北京慕達(dá)星云知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 王攀

本發(fā)明公開了一種具有硫組分梯度的銅鋅錫硫硒薄膜的制備方法，包括以下步驟：將鈉鈣玻璃放入磁控濺射腔室，沉積雙層鉬背電極；利用磁控濺射系統(tǒng)，按ZnS/CuS/Sn/CuS的順序進(jìn)行多周期分步濺射，沉積銅鋅錫硫預(yù)制層薄膜；將預(yù)制層在氬氣條件下低溫合金、后高溫硒化制備出銅鋅錫硒薄膜；將制備的銅鋅錫硒薄膜放置于硫化爐進(jìn)行硫的等離子體硫化，待S等離子體硫化結(jié)束后取出樣品，冷卻，得到具有硫組分梯度的銅鋅錫硫硒薄膜，本發(fā)明的方法能夠制備出高質(zhì)量的具有帶隙梯度的銅鋅錫硫硒吸收層薄膜。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電材料新能源技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說是涉及一種等離子體法制備具有硫組分梯度的銅鋅錫硫硒薄膜的方法。

背景技術(shù)

自工業(yè)革命以來，煤、石油等燃料成為人們生活水平提高過程中的必要消耗品，在人們?yōu)樽非蟾呱钏降臈l件下，能源(煤、石油等)的消耗和需求量日益增加，而有限的不可再生能源的儲存量不斷下降，不可再生能源已經(jīng)無法滿足人類發(fā)展的需求。而太陽能屬于可再生資源、無污染、“取之不盡，用之不竭”、可再生且不受地域限制，太陽能被廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是一種理想的能源替代物。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，硅太陽電池的研究得到長足的發(fā)展，在太陽能利用方面做出很大的貢獻(xiàn)，其發(fā)展進(jìn)入飽和期，隨之，第二代太陽電池(薄膜太陽電池)進(jìn)入研究人員的視野，銅銦鎵硒(Cu(In,Ga)Se₂，CIGS)、砷化鎵(GaAs)和碲化鎘(CdTe)等。但是，這些材料中均包含一些稀有金屬或者有毒材料，故為了可持續(xù)長久發(fā)展和大規(guī)模運用，新的無毒、地殼中含量豐富的材料正在被研究。

鑒于此，銅鋅錫硫Cu₂ZnSnS₄(CZTS)基薄膜太陽電池應(yīng)運而生且被廣泛研究和關(guān)注，由于CZTS具有大于10⁴cm^-1的光吸收系數(shù)、原材料豐富、無毒和成本低等優(yōu)勢，能夠有望成為新一代薄膜太陽電池的選擇之一,但是截至目前其效率未能達(dá)到理論效率的二分之一，造成這種情況的原因是由于其吸收層薄膜與緩沖層CdS薄膜之間的界面復(fù)合較為嚴(yán)重以及兩者之間的能帶排列問題等，這些因素是導(dǎo)致其效率不高的原因。

對于Cu₂ZnSnSe₄(CZTSe)薄膜電池來說，通過摻入同族的S元素替代部分的Se元素制備Cu₂ZnSn(S,Se)₄(CZTSSe)可以用來調(diào)節(jié)禁帶寬度，使得到的CZTSSe薄膜的導(dǎo)帶要高于CZTSe薄膜的導(dǎo)帶、價帶要低于CZTSe薄膜的價帶，能夠有效地提升界面處吸收層薄膜的帶隙，減少界面復(fù)合，且在沿上表面形成具有硫組分梯度的CZTSSe吸收層薄膜時，能夠阻止空穴向前表面輸運，進(jìn)一步減少了光生電子-空穴對在前表面的復(fù)合，提升器件性能。1997年，F(xiàn)riedlmeier等采用電子束蒸發(fā)法制備了CZTSe薄膜太陽電池，實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率為2.3％，自此，CZTS薄膜太陽電池的陰離子替代品CZTSe薄膜太陽電池獲得了研究人員的關(guān)注。2009年，Zoppi等人利用磁控濺射法制備了光電轉(zhuǎn)換效率為3.2％的CZTSe薄膜太陽電池；2012年，Repins等人采用共蒸發(fā)法制備了光電轉(zhuǎn)換效率為9.7％的CZTSe薄膜太陽電池；2014年，Jong-Ok?Jeon等人采用共沉積法制備了光電轉(zhuǎn)換效率為8％的CZTSe薄膜太陽電池；2018年，暨南大學(xué)李建軍等人利用磁控濺射法將純的CZTSe薄膜太陽電池的效率提升至11.9％；2019年，清華大學(xué)莊大明等人利用磁控濺射四元合金靶制備CZTSe薄膜太陽電池，獲得電池的光電轉(zhuǎn)換效率為11.95％。同時，CZTS薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率也得到持續(xù)的提升，但是與韓國Dae-Ho?Son等人創(chuàng)造的冠軍效率12.62％的CZTSSe薄膜太陽電池相比仍然有一定的差距。

因此，如何提供一種高效的CZTSSe薄膜太陽電池是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種等離子體法制備硫組分梯度的銅鋅錫硫硒薄膜的方法，制備出高質(zhì)量的具有帶隙梯度的銅鋅錫硫硒吸收層薄膜。