[发明专利]一种铜锌锡硫化合物薄膜太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料新能源技术领域，是一种半导体薄膜太阳能电池，具体地说是一种四元的铜锌锡硫（Cu₂ZnSnS₄）化合物薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术

目前传统能源的日渐短缺，以及全球对环境问题的日益重视，使得以光伏产业为代表的可再生能源，近年迎来了发展高峰期。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中，太阳能最具潜力。迄今为止，已研制出了多种类的太阳能电池，由于太阳光具有弥散性，为了获得更高的发电功率，往往需要大面积的太阳能电池器件，为了降低成本，发展薄膜太阳能电池是十分有必要的。目前用于薄膜太阳能电池的材料主要有硅基薄膜，铜铟镓硒（CuInGaSe₂）和碲化镉（CdTe）。

CuInGaSe₂（CIGS）薄膜太阳能电池被认为是未来最有前途的新一代薄膜太阳能电池。黄铜矿结构的CuInGaSe₂化合物是直接带隙半导体，具有高的吸收系数和合适的禁带宽度。最近，德国太阳能和氢研究中心（ZSW）制备的铜铟镓硒太阳能电池将实验室最高的转换效率提高到了20.3%，由此可见其有很大的发展前景。但是，CIGS最大的缺点是In、Ga和Se都是稀有元素，在地壳中的含量比例比较贫乏，此外Se是有毒的元素，这些都将制约CIGS薄膜太阳能电池的大规模产业化。

四元化合物半导体Cu₂ZnSnS₄（CZTS）由CIGS衍生而来，用Zn和Sn元素取代In和Ga，硫取代Se，CZTS具有黝锡矿结构，具有与太阳光谱非常匹配的直接带隙和对可见光的高吸收系数，更重要的是其所含的元素矿源丰富且无毒，对环境有好，成为替代CIGS薄膜太阳能电池吸收层的备选材料。CZTS薄膜太阳能电池将是未来很有发展潜力的一种薄膜太阳能电池。目前，报道的CZTS薄膜沉积技术主要有以下几种：热蒸发法，电子束蒸发前驱体后硒化，电沉积法，磁控溅射法，脉冲激光沉积法等。就脉冲激光沉积法而言，主要采用两步法工艺，即先在常温下沉积CZTS薄膜，然后将CZTS薄膜放入含有硫或硫化氢气氛的炉子中进行后续的硫化处理。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型的铜锌锡硫化合物薄膜太阳能电池及其制备方法，其方法采用一步法单靶沉积工艺制备CZTS薄膜，无需后续的硫化工艺，简化了工艺步骤，降低了成本，而且避免了后续硫化可能对环境造成的影响；在此基础上制备的CZTS薄膜太阳能电池具有一定的效率且可重复性高。

本发明的目的是这样实现的：

一种铜锌锡硫化合物薄膜太阳能电池，包括：由下而上依次设置的玻璃衬底、金属背电极层、P型吸收层、n型硫化镉缓冲层、透明氧化物薄膜窗口层及TCO顶电极，特点是：所述p型吸收层为脉冲激光沉积的铜锌锡硫四元化合物薄膜，其薄膜厚度为1000～2000纳米。

上述太阳能电池的制备方法包括以下具体步骤：

a）清洗衬底

选择玻璃衬底，清洗过程依次为丙酮超声15～30分钟，酒精超声15～30分钟，去离子水超声15～30分钟，用氮气吹干；

b）沉积金属背电极层 

采用射频磁控溅射方法在玻璃衬底上沉积金属背电极层，厚度为800～1200纳米，所用的金属为钼；

c）沉积p型吸收层

用单靶脉冲激光沉积法在金属背电极层上沉积Cu₂ZnSnS₄薄膜，靶材用Cu₂ZnSnS₄化合物单靶，先将镀膜室真空抽至10^-4Pa，同时玻璃衬底温度升至400～500℃，然后镀膜室内通入氩气至10Pa，沉积时间为1～2小时，最后玻璃衬底温度降至室温，p型吸收层形成，其厚度为1000～2000纳米；

d）沉积n型硫化镉缓冲层

采用化学水浴法在P型吸收层上沉积n型的硫化镉缓冲层，厚度为50～100纳米；

e）沉积透明氧化物薄膜窗口层

在玻璃衬底的n型硫化镉缓冲层上，采用射频磁控溅射方法在n型硫化镉缓冲层上沉积透明氧化物薄膜窗口层，透明氧化物薄膜窗口层为本征氧化锌和参铝氧化锌叠层，本征氧化锌层厚度为100～200纳米，参有铝氧化锌层厚度为600～800纳米；

f）制备顶电极

在透明氧化物薄膜窗口层上加盖栅状或圆形掩膜板，然后采用射频磁控溅射方法镀上TCO导电薄膜。