[发明专利]一种低成本溶液方法制备太阳电池吸收层材料Cu2ZnSnS4的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳电池材料与器件技术领域，具体涉及一种太阳电池吸收层材料Cu₂ZnSnS₄的制备方法。

 

背景技术

全球性的能源短缺、环境污染、气候变暖正日益严重地困扰着人类社会。寻求绿色替代能源，实现可持续发展，已成为世界各国共同面临的课题。从长远来看，可再生能源将是未来人类的主要能源来源。在新发展的可再生能源的利用中，太阳电池最具潜力。

由于全球硅材料的短缺和高昂的制备成本，薄膜太阳电池引起了人们的广泛关注，已成为科技工作者的研究重心。薄膜太阳电池分为硅基薄膜太阳电池和化合物薄膜太阳电池，作为化合物薄膜电池的代表，CIGS(铜铟稼硒)薄膜太阳电池取得了长足的发展。截止到2010年底其最高转换效率已经达到了20.3%，但是其组成元素Se的毒性和In、Ga的高昂成本却严重制约着CIGS的发展。为了寻找一种无毒廉价且高效的太阳电池材料，人们经过了不懈的努力和探索。

Cu₂ZnSnS₄ (以下简称为CZTS)是一类锌黄锡矿结构(kesterite)化合物半导体，其结构与黄铜矿结构的CIGS类似，可看成是用Zn、Sn和S分别代替CIGS中的In、Ga、Se。由于In和Ga为贵金属，而Se又有一定的毒性，因此CZTS相比CIGS在成本及环境友好方面具有比较大的优势。CZTS薄膜的光学带隙接近1.5eV，与太阳光谱的响应较好, 非常适合用作太阳电池中的光吸收层。CZTS的光吸收系数较大(可见光波段吸收系数10⁴cm^-1-10⁵cm^-1)，只需要1μm厚度即可完全吸收太阳光，适合制备薄膜太阳电池，此外CZTS的组成元素地球上储量均较丰富且无毒。因此，CZTS作为一种太阳电池吸收层材料近年来逐渐受到人们的重视，目前以CZTS为吸收层的太阳电池转换效率达到6.8%，而用一部分Se取代Cu₂ZnSnS₄中的S的Cu₂ZnSn(S,Se)₄（CZTSSe）电池效率可达到9.6%。因此这种新型太阳电池有着很好的应用前景和巨大的商业价值。

目前作为太阳电池吸收层的Cu₂ZnSnS₄薄膜的制备方法主要有溅射、蒸发等真空工艺与电化学沉积、旋涂等非真空工艺。与真空制备工艺相比，非真空工艺无需昂贵的真空设备，因此在成本上更具优势。最近已有采用连续离子层吸附反应方法制备出Cu₂SnS_x薄膜和ZnS薄膜叠层预制层结构或者Cu₂S薄膜和ZnSnS_x薄膜叠层预制层结构，然后进行热处理得到铜锌锡硫薄膜的专利(申请号201110189391.2)。但对于ZnS薄膜，使用连续离子层吸附沉积需要相对较长的制备周期，因此本专利使用更为简单的化学浴工艺制备ZnS薄膜。由于化学浴工艺较难得到(Cu, Sn)S复合薄膜，仍用连续离子层吸附沉积得到(Cu, Sn)S复合薄膜。通过结合连续离子层吸附沉积方法和化学浴方法各自的优点，我们可以快速制备(Cu, Sn)S/ZnS前驱薄膜，再通过在硫气氛中热处理，获得元素组分符合理想化学配比、大面积均匀的CZTS薄膜。

 

发明内容

本发明提出一种低成本制备太阳电池吸收层材料Cu₂ZnSnS₄的方法。本发明所使用的方法具有制备工艺简单、无需复杂设备、制备成本低、薄膜成分及厚度可控等优点，适合工业化大规模生产。

本发明所涉及的Cu₂ZnSnS₄薄膜的制备方法是通过以下技术方案实现的，具体包括以下几个步骤：

一种低成本溶液方法制备太阳电池吸收层材料Cu₂ZnSnS₄的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1).   首先对衬底表面进行清洗；将衬底依次放入阳离子混合溶液，去离子水，