[发明专利]一种硫化亚锗多晶薄膜和含有该薄膜的太阳能电池

说明书

本发明公开了一种硫化亚锗多晶薄膜及其制备方法，及含有该硫化亚锗多晶薄膜的太阳能电池。所述硫化亚锗多晶薄膜厚度为400～800nm，我们在传统的近空间快速升华法基础上增加了晶种层预沉积和后步原位退火(三步法)制得，该过程运行简单且连贯，可通过调节氮气和气泵的开关顺序得以实现，并利用两步磁控溅射法和高温硒化得到了适合沉积硫化亚锗的基底。所述太阳能电池中p型层材料硫化亚锗(GeS)是一种价格低廉且环境友好的半导体光电材料，其带隙为1.73eV左右，覆盖了大部分可见光光谱，且吸光系数高达10⁵cm^‑1，因此采用其做为吸收层构成的薄膜太阳能电池将具有极大的应用前景。

技术领域

本发明属于光电材料及薄膜太阳能电池制备领域，具体涉及一种硫化亚锗多晶薄膜和含有该薄膜的太阳能电池。

背景技术

生态污染和能源短缺是制约当今经济发展的重要因素，对可持续能源不断增长的需求恰成为研究低成本、稳定、高效太阳能电池的动力来源。众所周知，太阳能电池是将太阳光转换为电能的一种有效且绿色的能源装置，它能够帮助人类高效的转换并利用太阳能，其中薄膜太阳能电池更因其优异的性能正被广泛关注。硫化亚锗(GeS)是一种价格低廉且环境友好的半导体光电材料，其带隙为1.7eV，覆盖了大部分可见光光谱，且吸光系数高达10⁵cm^-1，此外，在叠层电池结构中，GeS的带隙与硅电池完美匹配，更有利于促进下一代硅电池的发展。因此，硫化亚锗薄膜太阳能电池作为新一代化合物半导体薄膜太阳能电池具有非常大的应用潜力。

研究发现，硫化亚锗材料具有高的吸光系数以及较大的禁带宽度，其组成元素在地壳中的丰度较高且毒性很低；另外，硫化亚锗是IV-VI族二元化合物，属于p型半导体材料，其带隙为1.7eV，覆盖了大部分可见光光谱，且吸光系数高达10⁵cm^-1；这些特性决定了硫化亚锗有可能作为薄膜太阳能电池的吸收层材料。但是目前并无详细的方法来介绍硫化亚锗薄膜制备的过程。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明的目的之一是提供了一种高质量的硫化亚锗多晶薄膜及其制备方法，所述高质量的硫化亚锗多晶薄膜解决了目前难以制备的问题，所述硫化亚锗多晶薄膜是在传统的近空间快速升华法基础上增加前步晶种层预沉积和后步原位退火(三步法)制备得到，该过程运行简单且连贯，可通过调节氮气和气泵的开关顺序得以实现。

研究发现，硫化亚锗还具有一个重要的物理性质——高温易升华，即在高温(通常大于400℃)下，具有较大饱和蒸气压的硫化亚锗会发生升华现象，而在低温下，升华的高温蒸气会再次凝华成硫化亚锗这为近空间升华法提供了可能性。近空间升华法(Closedspace sublimation)是一种利用物质的升华特性制备薄膜的方法，制作过程简单快捷且成膜质量好。但我们发现如果参考之前报道的硒化亚锗的一步法热沉积是无法在基底上原位沉积硫化亚锗结晶膜，为此我们预先在基底表面沉积一层很薄的晶种成核位点，之后在此基底上进行快速热升华沉积，最后将得到硫化亚锗结晶薄膜进行原位退火后处理，则可成功研制出一种高性能的硫化亚锗多晶薄膜。

本发明的目的是提供一种含有硫化亚锗多晶薄膜的太阳能电池及其制备方法。本发明的硫化亚锗多晶薄膜，用于太阳能电池的吸收层；制备得到的太阳能电池具有优异的光伏性能且对环境友好。以近空间升华法为主的改进三步法，在制备上述硫化亚锗多晶薄膜时，其制作过程简单连贯，成膜质量好，大幅度降低了太阳能电池的制作成本，为太阳能电池产业化提供了一种极具发展前景的方法。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种硫化亚锗多晶薄膜，其特征在于，所述硫化亚锗多晶薄膜，其XRD衍射图谱在以下2θ出现特征峰：32.3°±0.3°、33.3°±0.3°、34.2°±0.3°；其拟合禁带宽度为1.73±0.3eV；所述硫化亚锗多晶薄膜，其表面X射线光电能谱图具有30.7eV±1eV162.3eV±1eV的特征峰。