[发明专利]一种电沉积法制备三带隙铬掺杂铜锌锡硫太阳能电池薄膜材料的方法

说明书

本发明公开了一种电沉积法制备三带隙铬掺杂铜锌锡硫太阳能电池薄膜材料的方法。先将氯化铜、氯化锡和氯化锂溶于乙醇液体中，在基底上电沉积Cu‑Sn合金层，再将氯化铬、氯化锌和氯化锡溶于乙醇液体中，再在Cu‑Sn合金薄膜上沉积Cr‑Zn‑Sn合金薄膜，然后将沉积的双层合金薄膜硫化退火处理，最终制备出铬掺杂铜锌锡硫薄膜材料。本发明制备工艺简单，原材料利用率高，产品成本低廉，可控性强，可重复性好，易于实现大面积、高质量薄膜的制备和大规模生产；本发明所得材料，结晶性好，表面形貌致密平整，铬元素通过替位元素锌，在铜锌锡硫晶体材料的禁带中形成一个杂质能带，拓宽了吸收太阳光谱，可以极大地增加器件的光生电流。

技术领域

本发明涉及属于多带隙太阳能电池吸收层材料的制备方法，具体涉及一种电沉积三带隙铬掺杂铜锌锡硫太阳能电池薄膜材料的制备方法。

背景技术

能源产业作为国民经济的基础，为社会经济的可持续发展和人们的健康生活提供了重要保障。化石能源的日益枯竭和对生态环境的破坏，使得研究各种可再生环保能源迫在眉睫。太阳能因为具有可再生性、无污染，储量大等特点而倍受人们青睐。目前全世界共有136个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中。其中有95个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发。如日本的“阳光计划、新日光计划”、美国的“太阳能百万屋顶计划”等。我国政府曾先后出台《可再生能源法》及其相关实施细则等政策来扶持新能源产业发展。国家财政部和住房和城乡建设部联合出台“太阳能屋顶计划”，财政部目前正在制定“金太阳”工程计划，将采取财政补贴的方式，加快启动国内光伏市场。

发展高效率和低成本的太阳电池是光伏发电应用的关键，而实现高效率的一个途径就是提高对太阳光的吸收率。以晶体硅为基础的第一代太阳能电池效率的最高记录为25％，第二代薄膜太阳能电池的最高效率22.8％，与热力学第二定律计算的太阳能电池转换效率最高上限92％相差甚远。太阳能电池效率损失的一个主要原因是电池吸收光谱与太阳光谱的失配，单pn结电池只能吸收能量大于Eg的光子，相当大一部分的红外光和紫外光未被利用。太阳光谱中400nm-700nm的可见光仅占43％，而700nm-2500nm波段的红外光占52％，300nm-400nm波段的紫外光有5％。为了充分吸收太阳光谱，尽可能实现电池吸收与太阳光谱的匹配，由A.Lugue等人提出了多带隙半导体太阳电池模型，通过电子在带隙内深能级过渡跃迁来提高对各波段太阳光的利用率。多带隙电池是探索全光谱利用的一种新型光伏电池。区别于由不同能隙宽度材料组成的叠层电池，它是在单一材料的价带、导带能隙之中引入多个中间能带，其作用在于提供光子的多个吸收通道，可大幅提高电池长波光响应，显著提高短路电流，从而提高电池效率。通过引入深能级杂质浓度超过Anderson转变或者Mott转变所预言的浓度，使其电子波函数重叠，原来的局域能级形成能带。此时的深能级杂质将表现出与通常相反的行为，不再是非辐射复合中心，而成为像导带和价带一样的扩展带。多带隙电池是一个极具魅力令人向往的研究课题。M.Green估算出当带隙数趋于无穷多时这种电池的理论转换效率上限为86.8％。第一性原理计算表明Cr掺杂Cu2ZnSnS4(CZTS)后能在禁带中形成一个中间杂质能带，并且当Cr替位Zn时，费米能级穿过中间能带，使中间能带保持半填满的状态，从而可以实现中间带太阳电池。但目前尚未见到电沉积方法制备Cr掺杂CZTS三带隙薄膜太阳能电池材料的实验报道。

CZTS材料的制备方法主要有磁控溅射法、水热法、溶剂热法、真空蒸发沉积法、分子束外延法、静电纺丝法和电化学沉积法等。目前，已经成功用于制备Cr掺杂的CZTS材料的方法只有磁控溅射法。相比磁控溅射法，电沉积法具有低温、非真空、低成本、高效率等特点更适合制备大面积的Cr掺杂的CZTS薄膜太阳能电池材料。除此之外，采用电沉积法，还可以通过控制沉积电压和电流、溶液组分、PH值、温度和浓度等工艺参数精确的控制薄膜的厚度、化学组成和表面形貌。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率、低成本、原材料利用率高、且易于大面积沉积的电沉积法制备三带隙铬掺杂铜锌锡硫太阳能电池薄膜材料的方法。

本发明实现上述目的的技术方案为：