[发明专利]ZnSnS薄膜与ZnSnS/SnS 异质结的制备与太阳能电池应用

说明书

技术领域

本发明涉及通过改进的脉冲电沉积技术得到由地壳富有元素构成的新型高吸收三元ZnSnS薄膜，并设计和构建了ZnSnS/SnS异质结光伏结构，能用于低成本太阳能电池，属于太阳能电池材料领域。

背景技术

进入21世纪以来，能源和环境问题变成人类最关心的两大问题。众所周知，化石燃料(如石油，煤，天然气等)为当今社会的主要能源来源，几百年以来的开采和利用导致化石能源的日益缺乏和对环境造成一系列严重影响，如环境污染，温室效应等。因此，用可再生的绿色能源来代替不可再生的化石能源是当今社会发展趋势和必经之路。众多绿色新能源当中，太阳能的利用一直受到人们的关注和重视。

太阳能电池是一种把太阳能转换为电能的转换装置。理论上推导出太阳能电池的吸收层材料如果为直接带隙半导体材料，禁带宽度在1.0-2.0eV左右，在可见光范围里吸收系数α＞10⁴cm^-1时，电池的能量转换效率能达到最高。目前太阳能电池发展的方向是高效率低成本化。但是目前硅基太阳能电池价格还是太高，因此，开发基于新材料的薄膜太阳能电池就引起了人们的重视。其中，硫系薄膜材料被认为是有可能实现低成本高效率薄膜太阳能电池的候选者之一。特别是铜铟镓硒(CuInGaSe-CIGS)薄膜太阳能电池的效率已达到20.3％，使得人们看到了希望。

对硫系材料及其电池而言，二元化合物材料包括CdS，ZnS，SnS，CdSe等的制备较容易实现，目前已有许多报道和专利涉及到这一方面，但是对三元和多元硫系薄膜材料，对材料本身的制备、特性和器件结构等方面的研究还不够成熟，研究较多的是CuInS，CuInSe，CuInGaSe[1]等。从材料在太阳能电池器件中的应用考虑，上述材料中的In和Ga等是贵金属元素，在地壳中含量极少，另一种元素Se又是有毒元素，同时在器件中是用CdS来作为窗口层，Cd也是有毒元素，使用后会对地球环境造成污染。因此，要想在今后实现大规模生产和应用。就需要用地壳中含量丰富并且环境友好的元素来构成硫系薄膜材料，同时保留多元硫系材料的高吸收，禁带宽度适中等的优点。因此，制备和研究由S，Cu，Zn，Sn等在地壳中含量丰富的元素构成的硫系薄膜材料就成为当前的研究热点和发展方向[2]。

对三元或多元硫系薄膜来说，其质量较好的材料的主要的制备方法还是共蒸发法[3]，但是共蒸发法必须在高真空条件下进行，对实验条件和实验设备的要求很高，成本高，也不利于大规模生产。而用低成本的电化学方法也可以制备薄膜，但往往不能一步完成，这是由于多元化合物中各元素电极电势是不一样的，因此采用一步电化学方法制备多元化合物比较困难。目前通常采取的方法是先制备出相应的前驱化合物后，再用硫化或硒化方法得到最终产物，这就增加了制备过程和成本，同时所形成的薄膜的质量也尚不能令人满意。

三元ZnSnS薄膜作为硫系化合物半导体材料，其具有直接带隙的能带结构，禁带宽度可以在1.5eV-3.6eV之间可调，应该在可见光范围里的具有大的吸收系数而应用于薄膜太阳能电池。但是目前尚没有利用电化学方法制备ZnSnS薄膜的报道。这是因为，沉积过程中采用恒电位法和恒电流法等技术得不到理想的ZnSnS薄膜，原因有：①电位高于-0.9V时薄膜疏松和均匀性差，此外电沉积时S析出的比金属慢，导致薄膜中S的含量过低；②电位低于-0.9V时，Zn离子不能送溶液中析出。

参考文献

[1]Repins，I.；Contreras，M.A.；Egaas，B.，.；19.9％-Efficient ZnO/CdS/CuInGaSe2Solar Cell with 81.2％Fill Factor.Prog.Photovolt：Res.Appl.2008；16，235-239.

[2]Hironori Katagiri；Kazuo Jimbo；Win Shwe Maw，；Koichiro Oishi；Makoto Yamazaki；Hideaki Araki；Akiko Takeuchi.Development of CZTS-based thin film solar cells.Thin Solid Films 517(2009)2455-2460

[3]Zribi，M.；Rabeh，M.B.；Brini，R.；Kanzari，M.；Rezig，B.Thin Solid Films，511-512(2006)125-129