[发明专利]一种铜锌锡硫薄膜材料的硒化方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用真空条件下利用氢氧焰对石英管进行封管操作，并在管式退火炉中进行热处理，在石英管真空腔内，在硒气氛下对铜锌锡硫薄膜进行硒化处理的方法。属太阳能电池薄膜器件制备工艺技术领域。

背景技术

能源是人类社会赖以生存发展的重要资源。全球人口增长和经济增长对能源的需求日益加大。随着世界能源的日益紧缺和人们环保意识的增强，太阳能以其独特的优势和巨大的开发利用潜力成为重要替代能源之一。

近来光伏市场主流的晶硅电池成本高昂，阻碍了光伏市场的发展，因此寻求新一代低成本、储量丰富的吸收材料制成太阳能电池，成为全球研究热点。

直接带隙的铜锌锡硫（Cu₂ZnSnS₄，简写为CZTS)半导体材料，黝锡矿结构的四元化合物,其禁带宽度为1.51eV,与半导体太阳能电池所要求的最佳禁带宽度(1.5eV)十分接近。且各元素地壳储量丰富,无毒环保,而成为太阳能电池吸收层的最佳候选材料之一。

退火硒化制得的CZTSSe薄膜，研究发现，这种纳米晶体薄膜上有很多包裹严实的大晶粒，大大提高了电池的转化效率。

发明内容

本发明的目的在于针对目前铜锌锡硫薄膜硒化存在的技术不足，提供一种低成本，高质量的铜锌锡硫材料硒化的方法。本发明方法反应条件简单，不需要昂贵的设备。

本发明所采用的技术方案包括的步骤如下：

a)      取壁厚1.5-2.0mm的石英管，加入酒精超声15min，用去离子水冲洗干净并烘干。

b)      取0.2-0.3g高纯硒粉或硒粒，装入石英管，并推至石英管底部，将涂覆有铜锌锡硫薄膜的载玻片沿管壁垂直放入石英管中。再取一根外直径略小于石英管的石英管至于载玻片上端，作为封管时的封套。

c)      将装有载玻片与硒粒的石英管与扩散泵、机械泵用真空橡皮管相连，并在接口处用真空硅脂实现密封；用机械泵和扩散泵对石英管内部抽高真空，真空度约为5×10^-3-5×10^-4Pa。

d)      先打开氢气管，点燃氢气燃烧，然后打开氧气管，并且调节适当的氧气流量。在封套和石英管交接处，先用氢氧焰烘至白热状态，进行预热，预热20-30s后，将氢氧焰的外焰集中于石英管和封套交接处，并且环绕石英管进行燃烧，此时石英管发出白光，并且慢慢融化，熔融状态的石英管与内部的封套均匀接触，移开氢氧焰，熔融的石英管会迅速冷却，并且附着在内部的封套上，此时石英管内部形成真空腔。

e)      待石英管冷却后，将石英管取下，并且置于500-550℃的管式退火炉中。石英管中的硒粒融化并汽化，石英管中此时是硒气氛，硒化30min，将石英管取出，置于空气中冷却至室温，最后再从石英管中取出经硒化的铜锌锡硫薄膜载玻片。

本发明的特点是：

1.      加入的硒粉或硒粒的量可以影响硒化时的硒气氛的压力，控制铜锌锡硫中硫被硒取代的取代率，控制禁带宽度和晶粒大小。

2.      不需用到石墨盒等，只需普通石英管即可，设备简单，易于操作，重复性好。

3.      不产生有毒尾气，安全高效。

附图说明

图1是硒化装置示意图。

图2是硒化前后薄膜在载玻片衬底上的X射线衍射谱（XRD）。图中明显得出，硒化后的样品的XRD特征峰的峰强有明显的加强，变得更加尖锐。杂相也消失了，表明经过硒化处理，铜锌锡硫材料在真空高温的情况下进行了再结晶反应，使得材料由杂相变成了纯相。

具体实施方式

现将本发明的实施例结合附图详述如下：

实施例一

1.      取壁厚1.5-2.0mm的石英管，加入酒精超声15min，用去离子水冲洗干净并烘干。

2.      取0.2155g高纯硒粒，装入石英管，并推至石英管底部，将涂覆有铜锌锡硫薄膜的载玻片沿管壁垂直放入石英管中。再取一根外直径略小于石英管的石英管至于载玻片上端，作为封管时的封套。

3.      将装有载玻片与硒粒的石英管与扩散泵、机械泵用橡胶管相连，并在接口处用真空硅脂实现密封。用机械泵和扩散泵对石英管内部抽高真空，真空度约为5×10^-4Pa。