[发明专利]一种柱状晶粒铜锌镉锡硫硒薄膜吸收层的制备及其在太阳能电池中的应用

摘要

一种柱状晶粒的铜锌镉锡硫硒(CZCTSSe)薄膜吸收层的制备及其在太阳能电池中的应用，属于薄膜太阳能电池技术领域。吸收层表面致密，晶粒尺寸为200nm～500nm。吸收层断面由柱状晶粒紧密排列组成，薄膜内部无孔洞及裂纹。柱状晶粒CZCTSSe吸收层晶粒尺寸较小均一，且形成的柱状晶粒能有效减少孔洞的出现。该吸收层为单一相Kesterite类闪锌矿结构，沿(112)晶面择优生长。以柱状晶粒CZCTSSe为吸收层，合成出Mo/CZCTSSe/CdS/i‑ZnO/ZnO:Al/Al铜基薄膜太阳能电池。结果发现，以相同条件合成的4个太阳能电池的开路电压为0.38～0.43V；短路电流为30.9～35.1mA cm2；转换效率为7.03％～7.12％。说明该太阳能电池转换效率较为稳定，浮动较小且效率较高。

主权项

一种柱状晶粒的铜锌镉锡硫硒(CZCTSSe)薄膜吸收层，其特征在于：采用射频磁控溅射以及封闭式硒化热处理的方法合成出柱状晶粒CZCTSSe吸收层，是以Cu2S、ZnS、CdS、SnS2作为铜锌镉锡硫硒(CZCTSSe)中的Cu、Zn、Cd、Sn、S源；硒粉作为硒(Se)源,首先将以上四种硫化物粉末按一定比例进行混合，在玛瑙研钵中研磨2～3h,待粉末混合均匀后，在温度为700 oC, 压强为28 Mpa的条件下热压合成直径为60 mm，厚度为3 mm的Cu2ZnxCd1‑xSnS4陶瓷靶材,然后，将靶材放入磁控溅射真空腔体内，靶材正上方放置用来沉积薄膜的含有Mo层(～1μm)的钠钙玻璃衬底(SLG/Mo),然后将溅射所用的腔体抽真空至7.010‑4 Pa，通入惰性Ar气并将压强调节至1 Pa (Ar气流速：30 SCCM),待压强稳定后，开始对靶材进行射频磁控溅射,其中溅射功率为60 W，溅射时间为1 h，衬底温度稳定在500 oC,溅射完成后，在SLG/Mo衬底上得到表面平滑且致密的Cu2ZnxCd1‑xSnS4预制薄膜之后，将该预制薄膜放入预先设计好的含有30 mg Se粉的封闭式石墨盒中，并将该石墨盒放入快速升温炉中,在N2气保护下，快速升温至580 oC (升温速率为5 °C/s)并保温30 min，而后自然降温,在封闭式石墨盒中，Se粉在高温下会形成很大的Se蒸汽压,Cu2ZnxCd1‑xSnS4预制薄膜在Se气氛下，晶粒长大且大部分S原子被Se原子取代，从而得到本发明所述的柱状晶粒CZCTSSe吸收层。