[发明专利]铜锌锡硫吸收层薄膜及铜锌锡硫太阳能电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料与器件领域，涉及一种铜锌锡硫吸收层薄膜的制备方法及铜锌锡硫薄膜太阳能电池的制备方法。

背景技术

随着人类社会的不断进步，能源和环境成为人类社会面临的两大重要课题。随着化石能源日益匮乏及使用化石能源造成的环境污染，各国政府纷纷出台了相应的政策，开发和利用可再生新能源。太阳能发电无论从可再生、总量大、分布广等优点，还是从技术的安全性和可靠性来看，都比其它能源更具有优越性。今后，随着光伏发电技术的发展，太阳能光伏发电将会成为全球新能源领域的研究热点。

到目前为止，广泛研究的太阳电池主要包括：硅半导体太阳电池(单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、硅薄膜太阳电池)、化合物半导体(砷化镓(GaAs)、铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池和碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池)。在所有太阳能电池中，晶硅太阳电池技术最成熟，但制造过程会消耗较多能量，硅片切割过程会消耗大量硅料。非晶硅薄膜太阳电池消耗硅材料少，存在光致衰退效应。GaAs、CIGS和CdTe薄膜太阳能电池虽然具有高转换效率，但是采用了对环境不友好的元素或稀缺元素，大规模推广有可能会受到环保和资源短缺的双重制约。近几年时间里，一种铜基化合物铜锌锡硫薄膜太阳能电池引起了人们的极大的关注。相比于CIGS，铜锌锡硫中各组分在地壳中储量丰富并且安全无毒无污染，禁带宽度可以在1.0～1.5eV之间可调及在可见光内吸收系数在10⁴cm^-1以上，所以被认为是最有前景的光伏材料。

目前，制备铜锌锡硫薄膜的制备方法有磁控溅射、热蒸发、脉冲激光沉积、分子外延生长、电沉积、喷雾热分解、溶胶凝胶及涂布法等。溅射法、热蒸发、脉冲激光沉积及分子外延生长等方法需要昂贵的大型设备，并且对要求非常高的真空条件；用非真空法特别是电化学沉积法相对于真空法制备铜锌锡硫薄膜具有设备廉价而且过程容易控制，并且生产过程中能量消耗少，原材料利用率高优点。1997年Katagiri等人第一次采用电子束蒸发后硫化制备出Cu₂ZnSnS₄薄膜，获得转化效率为0.66％的CZTS太阳能电池。2003年他们通过改进硫化设备得到了转化效率为5.45％的CZTS薄膜电池。2010年，Schubert等人采用四元共蒸发技术，获得的CZTS的转换效率为4.1％。2010年IBM通过共蒸发方法获得了CZTS的最高转化效率达到6.8％。尽管该方法是共蒸发制备出转化效率最高，但是该工艺对设备要求较高，各个元素蒸发速率较难控制，且在生产制备过程中重复性较差，不利于连续生产。同年IBM通过混合溶液反应制备了转化效率高达9.7％的CZTSSe薄膜电池。2011年，IBM公司将Cu₂ZnSn(S,Se)₄薄膜电池的转换效率提高到了10.1％，然而水合肼具有剧毒而且不稳定，并且非常难处理。2010年，Scragg等人使用电沉积金属叠层Zn/Sn/Cu，并将金属预制层置于装有S粉的石英管式炉中进行硫化退火，再在含有10％H₂与N₂气中575℃退火2小时，得到转化效率为3.2％的CZTS薄膜太阳电池。2009年Ennaoui等人通过共沉积金属预制层Cu-Zn-Sn制备CZTS前驱体，并将金属预制层置于石英管式炉中进行硫化退火，再在含有5％H₂S的Ar气中550℃退火2小时，制备出了转化效率达3.4％的CZTS薄膜太阳电池，是目前采用电沉积制备出CZTS薄膜电池的最高转化效率。但是，Scragg组采用在N₂/H₂+S气氛中进行硫化CZTS前驱体，该工艺过程会发生H₂爆炸以及产生有毒的H₂S造成了极大的危险和环境污染；尽管Ennaoui组通过共沉积金属预制层Cu-Zn-Sn后硫化CZTS工艺优化于Scragg组，但是不能避免采用H₂S气体，并且总退火时间大于8小时远远不能满足工业化生产所需。

发明内容

本发明克服现有技术存在的缺点，提出铜锌锡硫(CZTS)吸收层薄膜及铜锌锡硫(CZTS)太阳能电池的制备方法。

本发明提供一种铜锌锡硫吸收层薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)清洗衬底；所述衬底依次使用碱性溶液、丙酮、乙醇及去离子水超声清洗，然后用氮气吹干，在放入真空干燥箱中干燥备用。所述衬底包括玻璃衬底。

(2)利用磁控溅射技术在所述衬底上沉积铜锌锡硫薄膜太阳能电池用的金属Mo背电极薄膜或ITO导电薄膜；