根據吸收層表面反光顏色對銅鋅錫硫硒太陽電池性能的優化方法及其應用技術

本發明專利技術是根據吸收層表面反光顏色對銅鋅錫硫硒太陽電池性能的優化方法及其應用；以N,N

【技術實現步驟摘要】
根據吸收層表面反光顏色對銅鋅錫硫硒太陽電池性能的優化方法及其應用


[0001]本專利技術屬于光電子器件技術應用領域，尤其涉及一種基于溶膠
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凝膠法的銅鋅錫硫硒(CZTSSe)半導體薄膜的制備方法及其在光伏太陽電池以及光電子器件中的應用。

技術介紹

[0002]由于CZTSSe具有組成元素地球儲備豐富、環境友好和光吸收系數高等特點，適合作為薄膜光伏器件的吸收層材料。目前CZTSSe的制備分為真空法和飛真空法，真空法主要包括真空濺射、脈沖激光沉積和真空蒸發制備方式，其特點是對設備具有較高要求；非真空法主要包括溶膠
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凝膠法和電化學沉積法等，基于非真空方法制備CZTS前驅膜并利用后硒化的方法制備CZTSSe材料具有對設備要求低，簡單易操作等特點。目前，經美國可再生能源和能源效率研究和開發的主要實驗室認證的最高效率CZTSSe太陽電池效率為14.9％，該器件是基于溶膠
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凝膠法制備的。由于能量轉換效率較低和器件性能波動較大等問題，基于CZTSSe的太陽電池仍處于實驗室研究階段。
[0003]造成器件性能波動的原因可能是在旋涂制備CZTS前驅膜的過程中，存在前驅膜厚度難以控制的問題。較薄的前驅膜在硒化過程中容易出現晶粒過度生長的現象，在CZTSSe薄膜表面和背界面處產生較大的孔洞和縫隙，并產生以Sn(S,Se)2形式的Sn流失。而較厚的前驅膜在硒化過程中難以得到充分的晶粒生長，導致獲得的CZTSSe薄膜晶粒尺寸較小，存在較多的晶界，并且在背界面處導致較厚的碎晶層，嚴重阻礙了太陽電池器件對光生載流子的收集與傳輸效率。
[0004]前驅膜的厚度主要受兩大方面影響：溶液粘度和旋涂參數。其中，溶液粘度受溶劑體積、溶液離子配比、溶液反應時間和旋涂室溫等因素影響，難以控制，是造成前驅膜厚度波動的主要原因。旋涂參數包括旋涂轉速、旋涂加速和旋涂時間，改變旋涂參數可以直接調控前驅膜的厚度。綜上所述，在制備過程中實現對薄膜厚度的實時判斷并通過調整旋涂參數進行調節可以穩定前驅膜厚度。
[0005]薄膜的厚度可通過截面掃描電子顯微鏡或原子力探針顯微鏡等方式測量得到，但進行這些測試存在以下問題：1、制樣麻煩，原子力探針顯微鏡需要提前制備臺階，并且存在最大量程。不能準確獲得薄膜厚度。2、耗時較長，如果為最求穩定每批都進行厚度測試會浪費大量時間。3、不能實現實時調整，掃描電子顯微鏡和原子力探針顯微鏡只能在完成前驅膜制備后進行測試，不能及時給出反饋。
[0006]針對以上問題，我們提出，由于CZTS前驅膜獨特的光學參數，在制備CZTS前驅膜的過程中，薄膜的反光顏色會受薄膜干涉影響，在可見光波段內呈現出不同的顏色。薄膜干涉現象是當一束光波打在薄膜上時，被薄膜上表面和下表面分別反射并相互干涉形成新光波的現象，該現象可以用來獲得薄膜的厚度等信息。該顏色的變化可作為判斷前驅膜厚度的依據，以幫助相關人員在旋涂過程中對轉速等參數進行調節，制備出最優厚度的前驅膜。

技術實現思路

[0007]為了解決現有技術的問題，本專利技術所采用的薄膜反光顏色技術因可以直接利用目視或其他視覺系統觀測，可以為控制前驅膜厚度提供簡單高效的判斷依據，有助于在實驗室和大面積工業化生產中利用溶膠
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凝膠法制備高效穩定的薄膜材料。本專利技術有效解決銅基薄膜太陽電池制備過程中由于前驅體薄膜厚度波動造成的吸收層質量降低的問題，實現了對前驅膜的穩定獲得。同時，基于黃色反光工藝獲得的1.4
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1.6μm厚前驅膜的前驅膜厚度制備的吸收層實現了對二次相的鈍化，有效增強了太陽電池內載流子的分離，較薄的碎晶層有利于器件內載流子的傳輸與收集，為最優的前驅膜厚度。
[0008]本專利技術的技術方案如下：
[0009]根據吸收層表面反光顏色對銅鋅錫硫硒太陽電池性能的優化方法；其特征是，通過調控旋涂參數使單層前驅體薄膜呈現黃色反光的工藝，使得最終獲得銅基薄膜太陽電池前驅膜厚度1.4
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1.6μm。
[0010]所述的優化方法是，以N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑，乙酸銅一水合物、氯化鋅、氯化亞錫二水合物和硫脲為溶質，制成前驅體溶液，在N2或者Ar的惰性氣體保護下采用勻膠機旋涂的方法制備銅基化合物半導體前驅體薄膜，旋涂條件包括：旋涂轉速為2000
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5000rpm，每旋涂一層后在溫度為300
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350℃的熱臺上預退火數分鐘并將該過程重復數次以制備前驅體薄膜，單層前驅膜呈現黃色時得到單層前驅膜厚度為220
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240nm，最終前驅膜厚度為1.4
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1.6μm。
[0011]所述的方法是，以N,N
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二甲基甲酰胺溶劑，且前驅體溶液中Cu和(Zn+Sn)的原子數目比為0.7:1
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0.8:1；Zn和Sn的原子數目比為1:1
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1:1.1。
[0012]專利技術制備的銅基薄膜太陽電池前驅膜膜用于太陽電池吸收層。
[0013]所述的前驅將銅基薄膜太陽電池前驅膜使用升溫爐在氮氣保護氣氛下進行硒化處理，獲得0.8～3μm厚的銅基薄膜太陽電池的吸收層。
[0014]銅基薄膜太陽電池包括依次層疊設置的襯底、正電極、光吸收層、緩沖層、窗口層和頂電極。
[0015]本專利技術的有益效果：1、解決了傳統前驅膜厚度測試中掃描電子顯微鏡制樣麻煩的問題，同時原子力探針顯微鏡需要提前制備臺階，并且存在最大量程，不能準確獲得薄膜厚度。2、掃描電子顯微鏡和原子力探針顯微鏡對厚度的測試耗時較長，如果為最求穩定每批都進行厚度測試會浪費大量時間。3、傳統厚度測試手段不能實現實時調整，掃描電子顯微鏡和原子力探針顯微鏡只能在完成前驅膜制備后進行測試，不能及時給出反饋的問題。本專利技術中建立旋涂第一層前驅膜退火后薄膜的反射波長與膜厚的聯系，當薄膜的反射譜峰處于600nm處時對應膜厚為230nm，膜厚與反射譜峰的對應關系可通過薄膜的折射率等光學參數直接計算得出。該方法實現了對薄膜厚度納米級變化的精準判斷，在旋涂過程中可通過反光顏色實時調整旋涂參數從而實時優化薄膜厚度，并提出最優的前驅膜厚度為1.4
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1.6μm。本專利技術通過固定第一層前驅膜顏色為黃色并利用相同工藝重復旋涂數次獲得的前驅膜厚度有效的促進了晶粒生長并減少了背界面處碎晶層的厚度，使器件性能得到了明顯的提高，對器件的開路電壓、填充因子和短路電流的提升非常顯著。根據反射光判斷膜厚工藝簡單，有效地解決了目前旋涂工藝中難以判斷前驅膜厚度的問題，為產業化生產薄膜太陽電池中的工藝穩定性提供了一種有效且易操作的方法。
[0016]本專利技術在溶膠
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凝膠法制備銅基化合物半導體，采用DMF為溶劑配置前驅體溶液，通過觀察單層前驅膜反光的顏色調節旋涂轉速，在黃色反光條件下能夠穩定制備出厚度為1.4
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1.6μm的前驅體薄膜，該厚度的前驅體薄膜有利于在高溫退火過程中獲得具有致密本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.根據吸收層表面反光顏色對銅鋅錫硫硒太陽電池性能的優化方法；其特征是，通過調控旋涂參數使單層前驅體薄膜呈現黃色反光的工藝，使得最終獲得銅基薄膜太陽電池前驅膜厚度1.4
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1.6μm。2.根據權利要求1所述的優化方法；其特征是，以N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑，乙酸銅一水合物、氯化鋅、氯化亞錫二水合物和硫脲為溶質，制成前驅體溶液，在N2或者Ar的惰性氣體保護下采用勻膠機旋涂的方法制備銅基化合物半導體前驅體薄膜，旋涂條件包括：旋涂轉速為2000
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5000rpm，每旋涂一層后在溫度為300
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350℃的熱臺上預退火數分鐘并將該過程重復數次以制備前驅體薄膜，單層前驅膜呈現黃色時得到單層前驅膜厚度為220
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【專利技術屬性】
技術研發人員：王作允，孟汝濤，張毅，
申請(專利權)人：南開大學，
類型：發明
國別省市：