[发明专利]一种离子共掺的铜基吸收层薄膜和太阳电池及其制备方法

说明书

本发明提供了一种离子共掺的铜基吸收层薄膜和太阳电池及其制备方法，该离子共掺的铜基吸收层薄膜和太阳电池及其制备方法，包括：在Mo电极上沉积金属预置层薄膜；在硒化过程中引入碱金属硫化物作为碱金属源和硫源，对铜基吸收层薄膜进行碱金属和硫离子共掺，获得碱金属和硫离子共掺的铜基薄膜太阳电池。本发明中经过离子共掺杂后，铜基吸收层薄膜的带隙拓宽，电池的开路电压得到大幅提升，因此使效率获得提升。采用碱金属硫化物对铜基薄膜进行共掺杂的工艺简单，降低了太阳电池的制造成本。

技术领域

本发明属于太阳电池领域，涉及一种碱金属和硫离子共掺的铜基吸收层薄膜及其制备方法、一种铜基薄膜太阳电池及其制备方法。

背景技术

世界科技在快速发展的同时也面临着全球性的传统能源的逐渐耗尽，而由传统化石能源造成的环境污染问题也日益严重。针对已经出现的能源危机以及不可扭转的气候变化，能源转型迫在眉睫。绿色清洁且巨大的太阳能成为全世界人们的研究热点，这加速了对光伏发电的研究。铜基薄膜太阳电池由于其优良的发电性能应用广泛。

目前，铜基薄膜太阳电池效率仍低于其理论效率，关键限制因素之一是开路电压。为了提高开路电压，其中一个有效的方法是进行碱金属和硫离子的掺杂，碱金属掺杂可以减少Cu_Zn替位缺陷形成，硫离子掺杂可以拓宽带隙，从而提高开路电压。但是传统的掺杂方法存在如下问题：(1)在溶液法中进行碱金属掺杂的时候，一般都是在前驱体溶液中加入可溶性碱金属盐，但其会在随后旋涂的溶液中重新溶解，导致掺杂过程中碱金属离子大量的流失，这限制了其在溶液法中的进一步应用；(2)对于真空法而言，只能通过离子吸附法对金属预置层即前驱体进行碱金属掺杂，其掺杂含量极少且量不可控，不利于器件性能的提高；(3)现有工作都是单独进行碱金属或硫离子的掺杂，缺少一种针对铜基吸收层薄膜进行碱金属和硫离子共掺的方法来提升器件性能。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种碱金属和硫离子共掺的铜基吸收层薄膜及其制备方法、一种铜基薄膜太阳电池及其制备方法。

为实现以上目的，本发明提供以下技术方案。

本发明第一方面提供一种碱金属和硫离子共掺的铜基吸收层薄膜的制备方法，包括：

1)首先在Mo正电极上采用磁控溅射的方法顺序溅射M2/M1/M3/M1金属预置层，金属M2采用直流电源恒电流溅射，电流为110mA，溅射时间为11.5min，工作气压为0.4Pa；第一层M1金属采用直流电源恒功率溅射，功率为85W，溅射时间为4.5min，工作气压为1Pa；金属M3采用直流电源恒功率溅射，功率为26W，溅射时间为22min，工作气压为0.4Pa；第二层M1金属采用直流电源恒功率溅射，功率为80W，溅射时间为5min，工作气压为1Pa；

2)然后将步骤1)得到的金属预置层放置在硒化掺杂处理系统的衬底位置，所述硒化掺杂处理系统如图1所示，包括位于最底层的硒蒸发源1和位于硒蒸发源上方的热裂解管道2，热裂解管道由12厘米长的Mo桶构成；热裂解管道上端口进入上方设置的保温壳3，保温壳上方开口处固定有样品架4，样品架上方为由Mo丝缠绕而成的衬底加热器5；在石墨小盒6中放入碱金属硫化物M4S晶体，而该石墨小盒被放置于保温壳内；衬底温度、硒源温度、裂解温度和保温壳的温度都由PID系统进行自动控制。

由步骤1)得到的金属预置层在Ar气氛下300℃退火15min时，保温壳和石墨小盒被升温到450℃，持续加热碱金属硫化物M4S材料并使其蒸发直到硒化处理过程结束，以进行碱金属和硫离子的共掺杂，再在X的气氛下560℃退火12min得到碱金属和硫离子共掺的铜基吸收层薄膜；所述铜基吸收层薄膜包括具有M1、M2、M3、M4、X及其组合的化合物，其中，M1是铜(Cu)、银(Ag)或其组合，M2是铟(In)、铝(Al)、锌(Zn)或其组合，M3是镓(Ga)、锗(Ge)、锡(Sn)或其组合，M4是锂(Li)、钠(Na)、钾(K)或其组合，并且X是硒(Se)、硫(S)或其组合；