一種通過(guò)界面改性制備銅鋅錫硫類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池的方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)涉及太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種通過(guò)界面改性制備銅鋅錫硫類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池的方法。銅鋅錫硫類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池為多層膜結(jié)構(gòu)：襯底／Mo背接觸層／銅鋅錫硫類(lèi)光吸收薄膜層/緩沖層CdS/窗口層ZnO/減反膜MgF2和金屬柵電極Ni-Al。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)界面改性，在Mo背接觸層上制備Cu2S1-xSex預(yù)制層，其中0≤x≤1，在預(yù)制層上用銅鋅錫硫納米墨水成膜，經(jīng)高溫退火工藝，使Cu2S1-xSex預(yù)制層與銅鋅錫硫納米晶薄膜實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散融合及化學(xué)反應(yīng)，在不引入其他雜質(zhì)元素的基礎(chǔ)上，有效克服了銅鋅錫硫納米晶成膜附著力較差的弊端，得到結(jié)晶性好，形貌均勻，物相單一，附著力強(qiáng)的銅鋅錫硫類(lèi)光吸收層薄膜，從而制備得到高效率的銅鋅錫硫類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【專(zhuān)利摘要】本專(zhuān)利技術(shù)涉及太陽(yáng)能電池
，公開(kāi)了。銅鋅錫硫類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池為多層膜結(jié)構(gòu)：襯底／Mo背接觸層／銅鋅錫硫類(lèi)光吸收薄膜層/緩沖層CdS/窗口層ZnO/減反膜MgF2和金屬柵電極Ni-Al。本專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)界面改性，在Mo背接觸層上制備Cu2S1-xSex預(yù)制層，其中0≤x≤1，在預(yù)制層上用銅鋅錫硫納米墨水成膜，經(jīng)高溫退火工藝，使Cu2S1-xSex預(yù)制層與銅鋅錫硫納米晶薄膜實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散融合及化學(xué)反應(yīng)，在不引入其他雜質(zhì)元素的基礎(chǔ)上，有效克服了銅鋅錫硫納米晶成膜附著力較差的弊端，得到結(jié)晶性好，形貌均勻，物相單一，附著力強(qiáng)的銅鋅錫硫類(lèi)光吸收層薄膜，從而制備得到高效率的銅鋅錫硫類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池。【專(zhuān)利說(shuō)明】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及太陽(yáng)能
，特別涉及銅鋅錫硫類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池的制備工藝。
技術(shù)介紹
銅鋅錫硫(Cu2ZnSnS4，簡(jiǎn)稱(chēng)CZTS)為I2-11-1V- VlJj^四元鋅黃錫礦半導(dǎo)體材料，其組成元素銅、鋅、錫、硫無(wú)毒，且在地球中含量相對(duì)較高。銅鋅錫硫?yàn)橹苯訋栋雽?dǎo)體，光學(xué)帶隙Eg為1.4-1.5eV，與光伏電池的理想帶隙1.4eV非常接近，具有較大的光吸收系數(shù)大于IO4CnT1,因此CZTS是理想的薄膜太陽(yáng)能電池吸收層材料。IBM公司采用聯(lián)氨溶液沉積吸收層的方法構(gòu)筑了銅鋅錫硫硒(CZTSSe)薄膜太陽(yáng)能電池，其轉(zhuǎn)化效率高達(dá)12.6%，是該類(lèi)電池目前的最高效率。但是在此過(guò)程中用到肼作為反應(yīng)物和溶劑，肼毒性較強(qiáng)，且具有很強(qiáng)的腐蝕性，不利于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。因此非真空條件下基于納米墨水的化學(xué)濕法制備銅鋅錫硫類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池，因其低成本、毒性小甚至無(wú)毒的特點(diǎn)，近年來(lái)成為研究的熱點(diǎn)。現(xiàn)有銅鋅錫硫類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池中，銅鋅錫硫類(lèi)薄膜處于Mo背接觸層與緩沖層CdS之間，基于納米墨水的化學(xué)濕法制備該類(lèi)電池存在銅鋅錫硫類(lèi)納米晶成膜形貌粗糙不均勻，薄膜的結(jié)晶性差，與Mo背接觸層附著力較差的弊端，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化效率較低，因此有必要改善電池結(jié)構(gòu)中的銅鋅錫硫類(lèi)薄膜質(zhì)量，從而提高銅鋅錫硫類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池的效率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的專(zhuān)利技術(shù)目的在于:針對(duì)上述基于納米墨水的化學(xué)濕法制備該類(lèi)電池存在銅鋅錫硫類(lèi)納米晶成膜形貌粗糙不均勻，結(jié)晶性差，與Mo背接觸層附著力較差的技術(shù)問(wèn)題，提出。本專(zhuān)利技術(shù)闡述的銅鋅錫硫類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池為多層膜結(jié)構(gòu):襯底/ Mo背接觸層/銅鋅錫硫類(lèi)光吸收薄膜層/CdS緩沖層/ZnO窗口層/MgF2減反膜和金屬柵電極N1-Al。本專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)在Mo背接觸層上以一定的制膜方法(直流磁控濺射、電子束蒸發(fā)、溶膠-凝膠、電化學(xué)鍍)制備一層Cu2ShSex預(yù)制層，其中O≤X≤I。Cu2ShSex預(yù)制層與Mo背接觸層附著力強(qiáng)，其膜層厚度可控，膜厚在100-500nm，表層為微觀粗糙絨面。Cu2ShSex預(yù)制層的組成成分是銅鋅錫硫類(lèi)吸收層材料的部分組成元素，并且也是半導(dǎo)體薄膜，與銅鋅錫硫納米顆粒的結(jié)合力更強(qiáng)，同時(shí)Cu2ShSejJ^制層表面的微觀粗糙絨面使之與銅鋅錫硫納米晶的結(jié)合能力進(jìn)一步增強(qiáng)；銅鋅錫硫納米墨水成膜后，經(jīng)過(guò)氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w保護(hù)下300-600°C高溫退火，使Cu2ShSex預(yù)制層與貧銅的銅鋅錫硫納米晶薄膜完成擴(kuò)散融合及化學(xué)反應(yīng)。為達(dá)到上述專(zhuān)利技術(shù)目的，本專(zhuān)利技術(shù)采用的技術(shù)方案如下:步驟1:采用直流磁控濺射的方法在襯底上制備電阻率在10_5 Ω.cm量級(jí)，厚度約為Ιμm的Mo背接觸層。步驟2:在步驟I制備的Mo背接觸層上采用直流磁控濺射、電子束蒸發(fā)、電化學(xué)鍍或溶膠-凝膠制備一層膜層厚度為100nm-500nm，表層為微觀粗糙絨面的Cu2ShSejJ^制層，其中O≤X≤I。步驟3:基于納米墨水成膜工藝將貧銅富鋅的銅鋅錫硫納米晶在步驟2制備的Cu2ShSex預(yù)制層上沉積貧銅富鋅的銅鋅錫硫納米晶薄膜；經(jīng)氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w保護(hù)下300-600°C退火熱處理，使Cu2ShSex預(yù)制層與銅鋅錫硫納米晶薄膜實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散融合及化學(xué)反應(yīng)，得到銅鋅錫硫類(lèi)吸收層薄膜。步驟4:在步驟3制備的銅鋅錫硫類(lèi)吸收層薄膜上通過(guò)化學(xué)水浴的方法制備一層厚度約50nm的CdS緩沖層。步驟5:在步驟4制備的CdS緩沖層上通過(guò)射頻磁控濺射工藝制備1-ZnO薄膜，再直流磁控濺射Al-ZnO薄膜得到ZnO窗口層。步驟6:在步驟5制備的ZnO窗口層上射頻濺射厚度為80_100nm的MgF2減反膜。步驟7:在步驟6制備的MgF2減反膜上通過(guò)真空蒸發(fā)制備N(xiāo)1-Al柵狀電極。所述步驟2中直流磁控濺射、電子束蒸發(fā)、電化學(xué)鍍、溶膠-凝膠具體制備工藝如下:(I)應(yīng)用直流磁控濺射系統(tǒng)，以銅單質(zhì)靶材為原料，在背底真空度高于10_4Pa，工作氣壓為0.3-lPa,濺射功率為30-100W的條件下，在Mo背接觸層上物理氣相沉積銅金屬前驅(qū)，將銅金屬前驅(qū)在氮?dú)狻鍤獾榷栊詺怏w或其混合氣體保護(hù)條件下，與含硫單質(zhì)、硫化氫、硒單質(zhì)的一種或多種反應(yīng)物在100-600°C溫度條件下熱處理得到Cu2ShSex，通過(guò)控制濺射時(shí)間控制膜層厚度。(2)應(yīng)用電子束蒸發(fā)設(shè)備，以銅單質(zhì)的固體材料為原料，在背底真空度高于10_3Pa，基片加熱溫度為100-300°C，電子槍束流為50-100mA條件下，在Mo背接觸層上物理氣相沉積銅金屬前驅(qū)，將銅金屬前驅(qū)在氮?dú)狻鍤獾榷栊詺怏w或其混合氣體保護(hù)下，與含硫單質(zhì)、硫化氫、硒單質(zhì)的一種或多種反應(yīng)物在100-600°C溫度條件下熱處理得到Cu2ShSex,通過(guò)控制蒸發(fā)時(shí)間控制膜層厚度。(3)利用電化學(xué)工作站，將銅鹽和絡(luò)合物(如檸檬酸鹽、酒石酸鹽或焦磷酸鹽等)溶于水中配制電鍍液，銅鹽濃度范圍為5mM-2M，絡(luò)合物濃度范圍為1M-5M，在Mo層上電鍍沉積金屬銅前驅(qū)，將銅金屬前驅(qū)在氮?dú)狻鍤獾榷栊詺怏w或其混合氣體保護(hù)下，與含硫單質(zhì)、硫化氫、硒單質(zhì)的一種或多種反應(yīng)物在100-60(TC下熱處理得到Cu2ShSex ;以檸檬酸鈉、EDTA等為絡(luò)合劑、銅鹽化合物、硫代硫酸鹽、硒代硫酸鹽配制電鍍液，通過(guò)添加酸調(diào)節(jié)電鍍液的PH值為2-5，在Mo層上直接電鍍沉積得到Cu2ShSex，膜層厚度通過(guò)調(diào)節(jié)電鍍液的濃度和電鍍時(shí)間得到控制。(4)配制含目標(biāo)Cu、S、Se元素的具有適宜粘度的前驅(qū)液，通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂布、浸潰提拉等方法，制備前驅(qū)薄膜，再通過(guò)氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w保護(hù)下300-600°C高溫退火工藝制備得到Cu2ShSex預(yù)制層，膜層的厚度可通過(guò)控制前驅(qū)液濃度及旋涂、提拉次數(shù)得到控制。綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本專(zhuān)利技術(shù)的有益效果是:在不引入雜質(zhì)元素的基礎(chǔ)上，制備了具有結(jié)晶性能好，形貌均勻，物相單一，與Mo背接觸層附著力強(qiáng)的銅鋅錫硫類(lèi)吸收層薄膜，從而提高銅鋅錫硫類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池的效率。【專(zhuān)利附圖】【附圖說(shuō)明】本專(zhuān)利技術(shù)將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中:圖1為本專(zhuān)利技術(shù)中銅鋅錫硫類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池制備工藝流程圖；圖2為本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例1中制備的銅鋅錫硫薄膜XRD圖；圖3為未添加Cu2S預(yù)制層制備得到的銅鋅錫硫薄膜SEM圖；圖4為通過(guò)添加Cu2S預(yù)制層制備得到的銅鋅錫硫薄膜SEM圖。【具體實(shí)施方式】本說(shuō)明書(shū)(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類(lèi)似特征中的一個(gè)例子而已。實(shí)施例11、Mo背接觸層的制備主要分兩步，首先在背底真空度高于10_4Pa，在氬氣工作氣本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張庶，彭曉麗，向勇，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：電子科技大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：