[发明专利]真空蒸发制备ZnS/SnS双层薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用真空蒸发法制备ZnS/SnS双层薄膜的方法，属太阳能电池无机薄膜元件制备工艺技术领域。

背景技术

提高转换效率和降低成本是光伏产业所面临的主要问题，薄膜太阳能电池与单晶多晶硅太阳能电池相比，其优势在于制造成本更低，制备过程更为简单其且多样化。II-VI族化合物半导体SnS，晶格结构为a=4.329??，b=11.193??，c=3.980??，Sn和S原子通过范德华力联系在一起。由于其天然无毒且在可见光范围的优良的带隙宽度（间接带隙1.0-1.1，直接带隙1.3-1.5），引起人们的关注。

SnS薄膜在太阳能电池中较适合做吸收层，又呈自然的P型，可以与N型半导体形成P-N结，在理论上SnS薄膜太阳能电池的转化效率可达到25%。目前国外报道中研究最多的结构是SnS/CdS异质结型电池，K.T.R. Reddy研究小组用SnCl和硫脲混合溶液，使用喷雾热分解法，在温度为350℃的镀SnO₂的玻璃衬底上制作SnS薄膜， 使用真空蒸发法制作CdS薄膜，掺入了2 at%的In来降低CdS电阻率， 最后在CdS上蒸镀的In电极。制作的CdS/SnS太阳能电池转化效率为1.3%，量子效率为70%。这是目前报道的转化效率最高的SnS薄膜电池。但是大多SnS/CdS电池的效率无法提升到2%以上， Masaya Ichimura从理论上证明由于SnS和CdS的结构问题，导致了SnS/CdS异质结的能带偏移。SnS导带的偏移阻止了光生载流子的在PN结之间的流动，这就部分解释了SnS/CdS转换效率低的问题。

基于上述的问题，人们尝试了各种方法寻找另外一种N型半导体来制作SnS薄膜太阳能电池。SnS/ZnO、SnS/ZnS和SnS/SnS₂等异质结的制备与研究进入了人们的视野。Masaya Ichimura小组和Biswajit Ghosh 小组选择电沉积技术制造ZnO薄膜作为SnS薄膜电池为窗口层。在Tetsuya Miyawaki使用了一种新的方法，即光化学沉积法（PCD）来制作ZnS薄膜作为太阳能电池的窗口层。同样M. Gunasekaran小组使用光化学沉积发得到CdZnS薄膜。虽然这些尝试至今没有在提高SnS薄膜的太阳能电池的效率上有所突破，但这些研究对于后来人的研究提供了很多的借鉴。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空蒸发制备太阳能电池ZnS/SnS双层薄膜的方法。

本发明一种真空蒸发制备太阳能电池ZnS/SnS双层薄膜的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤。

a． 先将作为衬底用的涂复有掺锡氧化铟（ITO）的玻璃用去离子水、丙酮、无水乙醇分别在超声条件下进行清洗；烘干后装在真空镀膜装置的样品夹上；采用真空蒸发系统，将纯度为96%的SnS粉末和纯度为99%的ZnS粉末分别放入两个蒸发钼舟内，采用先后连续分舟蒸发ZnS和SnS的方式形成双层薄膜；两个钼舟分别用电热导线连接至外面的温度控制装置上；控制衬底温度为150℃～160℃，真空压力为(2～3)×10-3Pa；样品架与钼舟蒸发源之间的距离为20～25cm；蒸发源SnS和ZnS的加热温度分别为1000℃1200℃；

b．真空蒸发过程结束后，将镀覆有双层薄膜的衬底放入真空管式退火炉中进行退火，退火的温度选择为300℃，400℃和500℃；控制退火炉的温度曲线呈阶梯上升形态；整个退火过程中需通入氮气，以防薄膜表面发生氧化。

本发明利用P型半导体SnS作为吸收层，而ZnS为直接带隙N型半导体，其禁带宽度为3.5～3.8eV,具有良好的光电性能,适合作为太阳能电池的窗口层。

本发明的特点和优点如下所述：

1.        采用真空蒸发法制备薄膜。该方法具有工艺简单，成膜均匀，生长速度快等优点。

2.        该发明P型和N型薄膜采用同种工艺方法，避免了使用不同工艺而导致的工艺不匹配，同时提高了薄膜制备的效率，降低了制作的成本。

3.        该方法制备的薄膜具有优良的电学性能和光学性能，且合适的退火温度能进一步改善薄膜的性能，有很强的实用性。

4.        该薄膜结构简单，能很好的应用于SnS薄膜太阳能电池。

附图说明

图1 为本发明ZnS/SnS双层薄膜的退火温度曲线。

图2 为本发明不同退火温度下的ZnS/SnS薄膜X射线衍射（XRD）图。

图3 为本发明在300℃和400℃退火温度下薄膜的I-V曲线图。