[发明专利]一种铜锌锡硫光敏薄膜材料的合成方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及半导体薄膜太阳能电池领域，是一种新型无毒低成本的铜锌锡硫(Cu₂ZnSnS₄)光敏薄膜材料合成方法。

【背景技术】

太阳能电池被认为是最有效的解决能源危机的方法之一。目前工业化的太阳电池产品，基本上全部采用玻璃包装，又沉重、又不能折叠、卷曲或改变形状，给运输、安装造成很大困难。薄膜太阳能电池具有材料用量少，成本低，重量轻，可以使用柔性衬底，适用于特殊场合等优点。近几年来已经引起了科学界和工业界的广泛关注，成为研究热点。

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池已经实现高达20%的转化效率。在工业规模的生产中也已经超过10%。然而，这种电池的制造成本较高。特别是金属铟属于稀有金属，全球范围的产量较小，不足以支持铜铟镓硒太阳能电池未来进一步的大规模应用。因此薄膜太阳能电池产业需要研发新的技术路线。铜锌锡硫材料与铜铟镓硒具有相似的晶体结构。这种材料成本很低，而且所有元素在地壳中都储量巨大。它的光电吸收系数较高，并且材料本身无毒无污染，是一种极具发展前景的光伏材料。最近报道的铜锌锡硫太阳能电池光电转换效率接近10%，且具有达到20%的潜力。但在其制造工艺中，使用了剧毒原料肼(NH₂·NH₂)为材料合成的前驱体，从而降低了大规模商业生产的可能性。因此，研发新的无毒低成本铜锌锡硫薄膜材料的合成工艺是十分必要的。

【发明内容】

本发明提供了一种铜锌锡硫光敏薄膜材料的合成方法，采用这种方法合成的铜锌锡硫薄膜，可用作铜锌锡硫薄膜太阳能电池的吸收层，从而大幅度降低材料制备难度和生产成本，提高电池性能。

一种铜锌锡硫光敏薄膜材料的合成方法，将五水硫酸铜晶体，七水硫酸锌晶体和二水硫酸锡晶体溶解在醇类有机溶剂内，得到硫酸锌摩尔浓度为5-15毫摩尔/升的溶液A；将溶液A置于烧瓶内，加热至170-210℃，加热的同时向溶液A内通过氩气；加热完成后，向溶液A内逐滴加入硫化钠溶液，静置、自然冷却，得到生成有铜锌锡硫纳米颗粒的溶液B；将溶液B加热至80-120℃后，逐滴加入分散剂，静置、冷却后，溶液B分为上下两层，其中，上层黑色液体即为铜锌锡硫纳米溶液，分离后将其制为薄膜即可。

作为本发明的优选实施例，所述硫化钠溶液是将九水硫化钠晶体溶解在醇类有机溶剂中而形成的。

作为本发明的优选实施例，所述五水硫酸铜晶体，七水硫酸锌晶体，二水硫酸锡晶体和九水硫化钠晶体的摩尔比为2：1：1：4。

作为本发明的优选实施例，所述醇类有机溶剂为乙二醇、乙醇、甲醇、丙醇、丁醇、叔丁醇、异丙醇、异戊醇和正丁醇中的任意一种。

作为本发明的优选实施例，所述氩气的通入流速为2-5毫升/分钟，氩气纯度大于99.99%。

作为本发明的优选实施例，所述分散剂为正十二烷基硫醇，所述分散剂的用量为溶解五水硫酸铜晶体，七水硫酸锌晶体，二水硫酸锡晶体和九水硫化钠晶体所用的醇类有机溶剂之和。

作为本发明的优选实施例，所述溶液B分为上下两层，其中，上层黑色液体的分离方法为：用玻璃吸管将其吸出。

作为本发明的优选实施例，所述铜锌锡硫薄膜的制备方法为：将制备好的铜锌锡硫纳米溶液喷射到不锈钢箔衬底上，不锈钢箔衬底置于加热台上，加热至300-350℃后，将所得样品进行真空干燥后进行退火硫化即可。

作为本发明的优选实施例，所述喷射速度为0.5-1.5毫升/分钟；所述真空干燥的温度为50-100℃。

作为本发明的优选实施例，所述退火硫化的方法为：将干燥后的样品放入坩埚内，坩埚内放置有晶体硫，密封坩埚后放置于烘箱内，升温至400-500℃时保温30-60分钟，最后自然冷却至室温。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：按照本发明制得的铜锌锡硫薄膜具有非常好的一致性和均匀性，禁带宽度为1.60电子伏特，十分接近太阳能电池吸收层所要求的最佳禁带宽度（太阳能电池的材料要是禁带宽度太大，则吸收的光谱范围十分有限；若是太小，虽然吸收光子会增多，产生的电子空穴对多，但空间电势小，不能驱动光生电子和空穴对尽快的转移到电池的两端，它们很快就会被复合掉。理论计算表明，太阳能电池吸收层所要求的最佳禁带宽度约为1.5电子伏特。）。而且薄膜厚度容易控制，可以在不到15分钟内（指喷雾器喷涂薄膜的时间）在常压条件下合成，不需要高真空环境，不使用有毒有害的前驱体。成本低，生长速度快，薄膜光学性质良好，十分适合作为高效率、低成本的铜锌锡硫薄膜太阳能电池的吸收层。

【附图说明】