[发明专利]一种纳米结构CZTS薄膜光伏电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光伏电池技术领域，具体涉及一种纳米结构CZTS薄膜光伏电池及其制备方法与应用。

背景技术

人类的生存和发展离不开能源和环境。随着世界经济的飞速发展，能源危机和环境问题正变得日益严峻，成为21世纪人类迫切需要解决的重大问题之一。因此，开发清洁、可再生能源的重要性显得日益突出。太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，太阳光在整个地球的覆盖面非常广，只要有太阳的地方，我们就可以利用太阳能来发电。

目前市场上应用的太阳能电池仍以单晶硅/多晶硅电池为主,但薄膜太阳能电池被公认为未来太阳电池发展的主要方向,并已成为国际上研究最多的太阳能电池技术之一。这是因为薄膜太阳能电池有用料少、工艺简单、能耗低、成本低等突出优势。薄膜电池主要有以下几种：硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池、碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池、铜锌锡硫（CZTS）薄膜太阳能电池等。

其中，CdTe与CIGS薄膜太阳能电池目前已经商业化，其实验室转换效率分别达到16.7%、20.1%。但Cd属于有毒元素，对人体和环境有很大的危害，Te、In元素在地表的含量很少，分别为0.001、0.05ppm。因此，这两种薄膜太阳能电池无法满足人们日益增长的能源需求，其大规模生产受到了严重的阻碍。Cu、Zn、Sn在地表的含量比较丰富，分别为25、71、5.5ppm，而且也是环境友好型元素。类似于CIGS，CZTS属于直接带隙半导体材料，带隙宽度为0.8~1.6eV，吸收系数~10⁴cm^-1，对太阳光有很好的吸收效果，其理论转换效率达32.2%。目前，CZTS太阳能电池的实验室最高转换效率已达到9.66%。由此，CZTS太阳能电池是一种非常有前途的薄膜太阳能电池。

公开号为CN101452969A的中国专利申请公开的铜锌锡硫化合物半导体薄膜太阳能电池及制备方法，采用磁控溅射法在镀有金属背电极的玻璃衬底上沉积一层CZTS薄膜，然后将此薄膜在N₂+H₂S气氛中退火处理，随后放入去离子水或乙醇或氨水中浸泡一段时间去除CZTS薄膜表面的金属氧化物颗粒，最终得到光电性能良好的CZTS太阳能电池光吸收层薄膜。该方法可控性强，薄膜质量高，均匀性好，工艺简单，适合工业化生产。

公开号为CN101800263A的中国专利申请公开的一种铜锌锡硫薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，采用共蒸发法制备铜、锌和锡的金属前驱体，再将前驱体在硫蒸汽中进行硫化得到铜锌锡硫薄膜。该方法的优点在于：原材料来源丰富且无毒性，制备工艺简单，薄膜性能易控制和适合于规模化工业生产等。

公开号为CN101651171A的中国专利申请公开的铜锌锡硫太阳电池吸收层薄膜的制备方法，采用先将铜锌锡硫纳米粒子溶于有机溶剂中，超声分散，得到铜锌锡硫纳米粒子浆液，然后将此浆液涂覆于基底上，对基底进行热处理，得到铜锌锡硫太阳能电池吸收层薄膜。该方法绿色无污染，反应条件温和简单、成本低廉，适于大规模生产。

公开号为CN102181847A的中国专利申请公开的一种醇热沉积铜锌锡硫薄膜的方法，使用硫脲和金属盐形成前驱物，醇做溶剂，将基片浸在溶液中，在密封高压釜中加热，直接沉积铜锌锡硫薄膜，得到的薄膜可通过高温退火提高结晶性。该方法设计合理，操作简单，反应易控，重复性好，可一次性沉积多片基底。

公开号为CN102251235A的中国专利申请公开的一种铜锌锡硫薄膜的制备方法，采用连续离子层吸附反应方法将同一衬底先后或交替浸泡在阳离子前驱体溶液和阴离子前驱体溶液中，制备出Cu₂SnS_x薄膜和ZnS薄膜叠层预制层结构，或者Cu₂S薄膜和ZnSnS_x薄膜叠层预制层结构，然后进行热处理得到铜锌锡硫薄膜。该方法既解决了金属成分难控制的问题，又能阻止铜离子向薄膜表面迁移导致形成硫铜相，此工艺方法简单适用，成本低廉，适于工业化生产。

上述几种方法都能制备出质量高、均匀性好的CZTS薄膜，但制备的CZTS薄膜太阳能光伏电池转换效率较低，不仅低于实验室制备的CZTS薄膜太阳电池9.66%的光电转换效率，也远远低于理论转换效率。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种纳米结构CZTS薄膜光伏电池。