[发明专利]一种太阳电池吸收层材料铜锌锡硫薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电材料与器件技术领域，具体涉及一种太阳电池吸收层材料铜锌锡硫薄膜的制备方法。

背景技术

薄膜太阳能电池主要包括硅系薄膜太阳能电池、CIGS薄膜太阳能电池和CdTe薄膜太阳能电池。硅系薄膜太阳能电池由于光致衰减效应而影响了电池的转化效率以及使用寿命；CIGS和CdTe薄膜太阳能电池由于含有稀缺元素铟以及镉而限制了它们的工业化大规模生产。所以，越来越多的研究人员将目光投向了无毒无污染且原料来源广泛的Cu₂ZnSnS₄（CZTS）薄膜太阳能电池上。铜锌锡硫具有锌黄锡矿结构或类黝锡矿结构，其禁带宽度Eg约为1.51eV，与太阳能电池的最佳禁带宽度1.5eV非常接近且吸收系数超过10^-4cm^-1，所以CZTS薄膜吸收层的厚度可以做得很薄（2μm左右），非常符合薄膜太阳能电池对吸收层材料的要求。此外，由于CZTS的原材料无毒且来源广泛，使得这种材料成为了生产薄膜太阳能电池的最佳候选材料之一。

但由于目前研究CZTS薄膜太阳能电池吸收层材料的制备方法主要集中在真空沉积法上，设备要求高，制备成本也较高，且所制备的薄膜材料成分比例难以精确控制。所以针对以上问题，我们研究采用溶胶凝胶法制备铜锌锡硫薄膜，由于该方法属于化学方法，设备要求不高，成本低廉，且薄膜成分可以得到精确控制。从而可以很好的制备出铜锌锡硫薄膜材料。这是本发明的设计思路及关键所在。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳电池吸收层材料铜锌锡硫薄膜的制备方法，该薄膜成份可以精确控制，制备成本低廉，操作过程简单。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种太阳电池吸收层材料铜锌锡硫薄膜的制备方法包括采用溶胶凝胶法制备金属预制层薄膜和金属预制层薄膜的硫化。

（1）金属预制层薄膜的制备

A、衬底选用浮法玻璃，用稀盐酸、丙酮和乙醇分别浸泡和超声波清洗，烘干备用；

B、将一水合醋酸铜、二水合醋酸锌和二水合氯化亚锡溶于乙二醇甲醚和三乙醇胺的混合溶液中，水浴加热制得胶体；

C、利用旋涂法将步骤B的胶体涂覆在步骤A的浮法玻璃衬底上，经高温烘烤制成铜锌锡硫预制层薄膜；重复数次以达到所需薄膜厚度；

（2）金属预制层薄膜的硫化

在石英管高温硫化炉中进行金属预制层薄膜的硫化，将盛有金属预制层薄膜样品的石英舟放置在石英管的中心处，首先在真空状态下升温，炉温以10℃/min的速度从室温升温至400℃；然后，将温度以10℃/min的速度从400℃升温至硫化温度460℃~540℃并通入200 sccm的N₂；使预制层在H₂S和N₂的混合气体中保持1.0 h；最后自然冷却到室温，制得所述的太阳电池吸收层材料铜锌锡硫薄膜。

本发明的显著优点在于：本发明中所利用的三乙醇胺是较好的稳定剂材料，该种材料在配制溶胶的过程中起到了重要的作用。较之于其他种稳定剂（如单乙醇胺）在本发明中有着更好的稳定效果。由于稳定剂选用了三乙醇胺，通过胶体所制备出的CZTS薄膜具有较好的物质结构和光电特性。此外，本发明的薄膜成份可以精确控制，制备成本低廉，操作过程简单。本发明利用改变硫化温度的方法选取较好的硫化条件，通过测试表明：在500℃的硫化温度下，硫化制备出的铜锌锡硫薄膜光电性能较好，其中，光学带隙1.47eV，电阻率、迁移率和载流子浓度分别为581.5 Ω·cm、1.411 cm²/(V·s)和2.165×10¹⁶ cm^-3，适宜作为太阳电池的吸收层材料。

附图说明

图1是不同硫化温度下所制备的CZTS薄膜的XRD谱。

图2是不同硫化温度下所制备的CZTS薄膜的拉曼谱。

图3是不同硫化温度下CZTS薄膜的SEM图像：(a)460℃ (b)480℃ (c)500℃ (d)520℃ (e)540℃。

图4是不同硫化温度下CZTS薄膜的吸收比。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步详细说明，这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。

结合一实例说明实施方式，具体制备工艺如下：

金属预制层制备：