[发明专利]一种AgBiS2半导体薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种AgBiS₂半导体薄膜的制备方法，该方法是先分别制备含有银的溶液和含有铋的溶液，然后再将两种溶液混合，加入硫脲后加热搅拌，再加入添加剂混合得到稳定、粘度合适的前驱体溶液，然后镀膜、预烧得到预制层，最后再经过退火工艺，提升薄膜的结晶性，最终制备出AgBiS₂半导体薄膜。该方法具有操作简单、反应条件温和、对设备要求低、成本低廉、易于工业化生产的优点，制备的AgBiS₂半导体薄膜成膜质量佳，颗粒较大，物相纯正，有利于提高薄膜材料的光伏性能，且薄膜的光吸收系数高，禁带宽度合适，电学性能好，载流子迁移率高，非常适合作为薄膜太阳的电池吸收层材料。

技术领域

本发明涉及太阳能电池光伏吸收层材料制造技术领域，尤其涉及一种AgBiS₂半导体薄膜的制备方法。

背景技术

化合物薄膜太阳电池被视为是替代硅太阳电池的一种新型太阳电池，包括CdTe、CIGSe等薄膜太阳电池，其光电转换效率已经分别达到了22.1％和22.3％，但是其存在Cd、Se等有毒元素，限制了这两种薄膜电池的可持续以及大规模发展。研究者一直致力于寻找一种可以替代CdTe、CIGSe的材料，出现了如CZTS这种四元化合物薄膜太阳电池，但是由于该材料反位缺陷导致的开路电压损失，使得其光电转换效率提升较慢。目前纯S化的CZTS薄膜太阳电池最高的光电转换效率为11％，距离光电转换效率至少达到20％的商业化要求还较远；而且由于四元化合物组成复杂，制备也比较困难。因此，研究者提出了IB-Bi-S₂(IB＝Ag、Cu)这类三元金属硫化物作为薄膜太阳电池的吸光层材料的设想。

AgBiS₂的元素组成无毒，化学稳定性较好，光吸收系数高(10⁵，较CZTS高出近一个数量级)，禁带宽度适合(据制备方法不同，在1.0-1.3eV之间)，三元化合物较CZTS和CIGS等四元化合物制备简单，被认为是一种非常有发展前景的光伏吸收层材料。AgBiS₂目前主要可以由热注射法和热溶剂法制备，但是其制备得到的都是纳米颗粒材料。目前报道的以AgBiS₂材料制备的太阳电池最高效率已达到6.3％，但其采用热注射法制备的AgBiS₂纳米晶太阳电池，以有机物作为空穴传输层，难以承受后退火处理，使得薄膜颗粒小，晶界过多，在一定程度上会造成短路电流的损失，没能充分发挥AgBiS₂材料的优势，厚度较低，可能未完全吸收光子能量；且热注射法产量较低，不利于大规模的生产应用。此外，有报道通过溶剂热法制备成AgBiS₂纳米粒子材料，而纳米级晶粒大小的AgBiS₂很难沉积得到足够厚度、晶粒大的薄膜，限制了其在光伏转换方面的应用。

发明内容

基于现有技术中制备AgBiS₂半导体薄膜方法的不足，本发明的目的在于提供一种成本低廉，在温和、非真空条件下制备AgBiS₂薄膜太阳电池吸收层的方法，该方法可以制备得到一定厚度的薄膜，使其充分吸收太阳光；制备得到的薄膜结晶性较好，晶粒大，制备工艺简单，适用于工业化生产。此外，该法还可扩展至CuBiS₂薄膜的制备，只需将对应的银源替换成铜源即可。

为了实现上述目的，本发明提出的AgBiS₂半导体薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)将银源溶于溶剂I，得到溶液A；将铋源溶于溶剂II，得到溶液B；

2)将溶液A和溶液B混合均匀，加入过量的硫脲，加热并充分搅拌后得到前驱体溶液；

3)向前驱体溶液加入添加剂并进行搅拌，然后在衬底上进行涂敷，预烧，重复数次后得到预制层；

4)所述预制层置于含硫的气氛中进行退火处理，得到AgBiS₂半导体薄膜。