[发明专利]一种铜锌锡硫四元靶材的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电材料技术领域，特别涉及一种铜锌锡硫四元靶材的制备方法。

背景技术

铜锌锡硫具有来源丰富，价格便宜和无毒无害等特点，其禁带宽度为1.4～1.5eV，而且其吸收系数大于10⁴cm^-1，可作为理想的太阳能电池吸收层材料。相对CIGS太阳能薄膜电池，CZTS的优势在于它的廉价和无毒无害，其组成元素在地壳中的含量较为丰富，因此CZTS成为最具潜力的替代CIGS的新型薄膜太阳能电池吸收层材料。

近年来，各研究机构掀起了对铜锌锡硫系薄膜太阳能电池开发热潮。铜锌锡硫吸收层材料的制备方法各式各样，其中磁控溅射法和电镀法是两种最具有工业化应用前景的制备方法。2012年，Chawla和Clemens用共溅射法制备Cu₂ZnSnS₄薄膜太阳能电池吸收层，其电池器件转化效率达到了9.3％。

靶材是溅射镀膜过程中的重要原材料，靶材的成分配比和物理性能直接影响薄膜的光电性能。当前，已存在相关研究单位着力发展四元化合物靶材一步溅射法，该方法具有工艺流程简单，制备薄膜成分均匀等特点。申请号为201110432162.9的专利公开了一种铜锌锡硫陶瓷靶材及其真空热压制备方法，其特征在于采用硫化铜、硫化锌、硫化锡粉按照摩尔比2:1:1配料，真空至10^-1～10^-2Pa，然后升温到800～1400℃，升温过程中不断轴向加压，加压到10～30Mpa时，开始保温、保压，进行烧结得到铜锌锡硫靶材。

发明内容

本发明目的在于提供一种铜锌锡硫靶材的制备方法，实现低温烧制铜锌锡硫四元靶材，为大面积生产高效率器件提供原材料支持，同时简化溅射镀膜工艺，特别适用于高效率、低成本的CZTS薄膜太阳能电池的工业化生产。

本发明具体采用以下技术方案。

一种铜锌锡硫四元靶材的制备方法，其特征在于：按照化学计量比将纯度≥4N的高纯硫化亚铜Cu₂S、硫化锌ZnS、二硫化锡SnS₂粉末混合均匀；然后将混合粉末烘干、过筛；然后将混合均匀的粉末置于模具中通过热压烧结制备CZTS四元靶材。

一种铜锌锡硫(CZTS)四元靶材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包含以下步骤：

(1)按照化学计量比Cu_2xZn_ySnS_(x+y+2)将纯度≥4N的高纯硫化亚铜Cu₂S、硫化锌ZnS、二硫化锡SnS₂粉末经球磨充分混合均匀；

(2)将混合粉末烘干、过筛；

(3)将混合均匀的粉末置于模具中，在保护性气氛中，通过热压烧结工艺制成CZTS四元靶材。

本申请还进一步优选包括以下技术方案：

步骤(1)中所述化学计量比为：0.5≤2x/(1+y)≤1.2，0.7≤y≤1.8。

在步骤(1)中，所述球磨介质为无水乙醇、去离子水或者空气中的一种，球磨时间为1～24h。

在步骤(3)中，热压烧结时炉内(是否指磨具中的本底真空度)的本底真空≤3×10^-2Pa，烧结温度为300～800℃，升温速率3-30℃/min，热压压力为10～80MPa，保温时间为0.5～12h，保温结束后卸压，随炉冷却至200℃以下取出。

在步骤(3)中，所述保护性气氛为真空或者充入保护性气体，当为真空时，所述真空气压为20Pa以下；当为保护性气体时，所述保护性气体为氢气、氮气或氩气，保护性气体气压为1atm。

本发明的功能要点有二个方面，其一是实现低温热压烧制铜锌锡硫靶材，其二是实现不同成分配比的铜锌锡硫靶材烧制。

本发明具有以下有益技术效果：

为实现高效率、低成本和环保的薄膜太阳能电池所需靶材，为高效率器件制备所需成分的吸收层材料，本发明提出的一种铜锌锡硫四元靶材的制备方法具有热压温度低，成型性好，密度高等特点。本发明工艺简单，制得的CZTS靶材成分均匀，相对密度达到90％以上，溅射性能良好，主要用于高效率、低成本的CZTS薄膜太阳能电池的制备与规模化生产。

具体实施方式

下面结合具体你实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。