[发明专利]制备五元化合物半导体CZTSSe的方法和薄膜太阳能电池

说明书

本发明属于薄膜太阳能电池制备技术领域并涉及一种用于制备由Cu₂ZnSn(S,Se)₄类型的五元锌黄锡矿/亚锡酸盐(Kesterit/Stannit)形成的化合物半导体的方法，以及带有由Cu₂ZnSn(S,Se)₄类型的五元锌黄锡矿/亚锡酸盐制成的吸收体的具有规定的硫深度分布的薄膜太阳能电池。

近来，太阳能电池日益被用于阳光光电转化为电能。就效率而言，基于Cu(In,Ga)(S,Se)₂的多晶黄铜矿半导体的薄膜太阳能电池已证明是有利的，其中特别是由于其带隙适合于阳光光谱，铜铟二硒化物 (CuInSe₂)突出表现出特别高的吸收系数。

由于铟和镓的材料成本高并且鉴于材料的长期可用性，最近，针对基于Cu(In,Ga)(S,Se)₂的化合物半导体的替代品的寻找在增加。由五元Cu₂ZnSn(S,Se)₄(通常缩写为“CZTSSe”)、五元Cu₂ZnSnSe₄ (通常缩写为“CZTSe”)、或五元Cu₂ZnSnS₄(通常缩写为“CZTS”)组成的锌黄锡矿/亚锡酸盐类型的半导体层是非常有开发前景的。这些半导体层在可见光下具有大约10⁴ cm^-1的高吸收系数和大约1.5 eV的直接带隙。

文献中已经描述了它们的各种制备方法，其中特别是用半导体组分共蒸镀（Ko-Verdampfung）到基材上(参见IBM, K. Wang等人, APL 97, 143508 (2010); HZB, B. A. Schubert等人, Progr. In Photov.: Res. and Appl. (2010) 10.10002 / p. 976; ZSW 1997, Friedelmeier等人 Conf. Proc. EUPVSEC 14th (1997) 1242-1245)。

在Volobujeva等人：“SEM analysis and selenization of Cu-Zn-Sn sequential films produced by evaporation of metals”，Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices 2008, Commad 2008, Conference on, IEEE, Piscataway, NJ, USA，2008年7月28日，第257-260页，XP031437704中，描述了用于制备五元CZTSe-化合物半导体的方法。在其中提出的方法中，元素Cu、Zn和Sn的叠层（Schichtenstapel）首先通过真空蒸镀沉积到钼基材上。然后，将叠层在带有元素Se的气氛中通过热处理转化成化合物半导体。

在Katagiri等：“Development of CZTS-based thin film solar cells”， Thin Solid Films, Elsevier-Sequoia S.A. Lausanne，CH, 517卷，No.7，2, 2009年2月2日，第2455-2460页，XP025928657中，描述了用于制备五元CZTS-化合物半导体的方法。在其中所提出的方法中，元素Cu、Zn和Sn通过共溅射沉积，并接着通过在含S气氛中热处理转化成化合物半导体。

相反，本发明的的目的在于有利地改善现有技术已知的用于制备由Cu₂ZnSn(S,Se)₄或CZTSSe类型的五元锌黄锡矿/亚锡酸盐构成的化合物半导体的方法和相应的化合物半导体。此目的和其它目的根据本发明的建议通过制备化合物半导体的方法以及具有并列权利要求的特征的薄膜太阳能电池得以实现。本发明有利的实施方案通过从属权利要求的特征表明。