[发明专利]一种铜锌锡硫薄膜太阳电池

说明书

本发明公开了一种铜锌锡硫薄膜太阳电池，包括依次连接的玻璃衬底、背电极、吸收层、第二中间层、缓冲层、透明导电窗口层和上电极，其中，所述背电极为Mo薄膜，厚度为1μm；所述吸收层为磁控溅射沉积的铜锌锡硫薄膜，厚度为900‑1500nm；所述第二中间层为ZnS薄膜，厚度为10nm；所述缓冲层为CdS薄膜，厚度为30~50nm；所述透明导电窗口层为依次沉积的50~80nm的i‑ZnO薄膜和500~600nm的ZnO:Al薄膜；所述上电极为蒸发镀银电极。本发明从设计上引入两个中间层，增大了铜锌锡硫晶粒尺寸，减小了二硫化钼高阻层厚度，减少了铜锌锡硫因Mo扩散造成的分解，减少了铜锌锡硫电池中最主要的两处界面复合和界面缺陷，减小了表面暗电流，延长了少子寿命，提高了少数载流子的收集效率。

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，具体涉及一种铜锌锡硫（CZTS）薄膜太阳电池。

背景技术

随着全球能源短缺和环境气候恶化的问题日益加重，人类迫切需要在近几十年之内找到一种能够替代化石燃料的可再生清洁能源，并且能够实现大规模应用以适应人类社会发展对能源不断增长的需求。太阳能资源以其分布地域广、清洁无污染、资源丰富、永不枯竭等优点，是最理想的可再生能源。太阳能光伏发电是太阳能利用的最佳方案之一，而低成本、无污染、高转换效率的太阳光伏电池一直是追求的目标。

铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4,CZTS）薄膜太阳电池因其具有成本低、光电转化效率高、吸收系数高、禁带宽度合适和环境友好等优点，近年来成为薄膜电池研究的热点。

众所周知，制备性能良好的CZTS电池过程中，背电极和CZTS吸收层之间容易产生二硫化钼造成CZTS分解产生二次相，这些二次相成为陷阱中心，降低了少子收集率，导致开路电压降低，最后导致电池效率降低。而传统控制二次相生成的手段仅仅是依靠技术人员的经验通过控制预制层元素比率，硫化时的腔室气压、温度、时间等综合调控因素，无定量执行数据。CZTS吸收层和CdS缓冲层之间因为高达7%的晶格失配也导致大量的异质界面的晶体位错、产生界面复合中心，降低了少子寿命和扩散长度，对少数载流子的收集造成不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种铜锌锡硫薄膜太阳电池，有效提高CZTS薄膜电池的载流子寿命和少子收集率，最终提高了CZTS器件的性能。

本发明所述的铜锌锡硫薄膜太阳电池，包括依次连接的玻璃衬底、背电极、吸收层、第二中间层、缓冲层、透明导电窗口层和上电极，其中，所述背电极为Mo薄膜，厚度为1μm；所述吸收层为磁控溅射沉积的CZTS薄膜，厚度为900-1500nm；所述第二中间层为ZnS薄膜，厚度为10nm；所述缓冲层为CdS薄膜，厚度为30~50nm；透明导电窗口层(6)包括一层50~80nm的i-ZnO薄膜和一层500~600nm的ZnO:Al薄膜，其中，i-ZnO薄膜与缓冲层(5)连接；所述上电极为蒸发镀银电极。

进一步的，所述的吸收层为（112）,（220）,（312）高度择优取向的CZTS薄膜，通过在背电极上依次沉积第一中间层和铜锌锡硫预制层后，于560±10℃的硫气氛下热处理45~60min后制得，其中，第一中间层为ZnO薄膜，以氧化锌靶为靶材，采用磁控溅射沉积得到，其厚度为10~20nm；铜锌锡硫预制层以硫化锌靶与铜锡合金靶为靶材，采用磁控溅射分步沉积得到，其厚度为700-800nm。

上述铜锌锡硫薄膜太阳电池的制备方法，包括如下步骤：

（1）采用磁控溅射法在同一腔体中依次在玻璃衬底上沉积背电极Mo薄膜、第一中间层ZnO薄膜、铜锌锡硫预制层；

（2）上述样品于560±10℃硫气氛下热处理45~60min后，所述第一中间层ZnO薄膜与铜锌锡硫预制层发生反应生成吸收层铜锌锡硫薄膜；

（3）采用磁控溅射法在吸收层上沉积第二中间层ZnS薄膜；

（4）采用化学水域法（CBD）在第二中间层上沉积缓冲层CdS薄膜；