[发明专利]一种太阳电池用铜铟硒硫薄膜的制备方法

说明书

本发明得到国家自然科学基金项目 (No. 51102180)和天津师范大学博士基金项目（No.52X09007）的资助。

技术领域

本发明属于光电材料新能源领域，具体涉及一种太阳能电池吸收层铜铟硒硫薄膜的制备方法。

背景技术

近年来作为洁净能源的太阳能电池发展迅速。薄膜太阳能电池因具有成本低、可大规模生产、并易于集成等优点将成为太阳能电池的主要发展方向。目前太阳能电池主要采用单晶硅和真空条件下制备的薄膜材料，但由于其价格昂贵，限制了太阳能电池的进一步推广和应用。因此，开发价格低廉的光电转换材料是太阳能电池大规模生产的关键。

铜铟硒硫薄膜作为光吸收层是太阳能电池的最关键组分，是黄铜矿结构的一种多元化合物半导体材料，其制备工艺将影响材料的性能，并且在薄膜太阳能电池的制备过程中，吸收层的制备工艺起着决定性的作用，它不但与降低生产成本息息相关，而且与转化率、能否大规模生产等产业化中的问题密不可分。

在黄铜矿结构薄膜的众多制备方法中，由于印刷或打印的方法可以在任意沉底（如玻璃、屋顶、墙面）上制备太阳能电池并可以大大降低电池成本，因而利用墨水来印刷薄膜太阳能电池引起了广泛的关注。然而，印刷的前提是开发出高质量印刷油墨，为此，墨水的制备技术也引起了国内外科学家的浓厚兴趣。

近几年来已研发出两种墨水，分别为半导体纳米晶墨水和前躯体溶液墨水。纳米晶墨水通常是采用高温液相的合成方法制备出半导体纳米晶，然后将其重新分散到溶剂中，调节溶剂粘度，放入打印机墨盒中进行打印即得到薄膜。高温液相的合成方法在控制纳米晶的尺寸上显示出不可比拟的优势，但是通常纳米晶产量都很低，难以适应太阳能电池大规模生产的需求，更重要的是，此方法制备纳米晶的过程中通常大量使用长碳链的有机溶剂，这些会导致薄膜中过多碳的残留，进而严重影响薄膜的光电性能。

为了解决长碳链有机物碳难以去除及碳的残留对薄膜的光电性能产生不良影响等相关问题，IBM公司研究人员研发出前躯体墨水用于制备半导体薄膜，即溶液-旋涂法，该方法利用一种无碳或低碳的有机溶剂来溶解金属硫化物和硒化物前躯体，通过加入不同比例的组分溶液，可以很好地调控前躯体溶液化学计量比，然后旋涂该混合溶液并热处理获得所需半导体薄膜，此方法很好地解决了薄膜中碳的难以去除及残留碳严重影响薄膜光电性能等相关问题。然而，制备墨水的有机溶剂为无水肼，这种物质的蒸气和液体都具有极强的毒性并且容易爆炸不稳定。因而，有必要开发新的低碳型溶剂以取代有毒的肼，完善铜铟硒硫薄膜的溶液-旋涂制备工艺。

N-甲基吡咯烷酮(NMP)，是一种极性的非质子传递溶剂，分子式：C₅H₉NO，属低碳型溶剂。具有毒性小、沸点高（202 ℃）、溶解力出众，可以溶解大多无机、有机物，粘度低，化学稳定性和热稳定性好等优点。

吡啶，化学式：C₅H₅N，低碳型有机溶剂，沸点115 ℃。低毒，溶解性能良好，能溶解大多数极性及非极性的有机物和无机物，可以溶解某些无机盐类，是一种有广泛应用价值的溶剂。

乙二醇（EG），化学式：(OHCH₂)₂，是最简单的二元醇，低碳型溶剂，沸点197 ℃。低毒，与水/乙醇/丙酮/醋酸甘油吡啶等混溶，微溶于醚等,不溶于石油烃及油类，能够溶解氯化锌/氯化钠/碳酸钾/氯化钾/碘化钾/氢氧化钾等无机物。

与肼相似，N-甲基吡咯烷酮、吡啶、乙二醇这三种溶剂，对无机盐溶解性能良好，具有较高沸点，且分子量小的低碳型有机溶剂，与肼最大的不同是此三种溶剂毒性低，化学稳定性和热稳定性好。

因此，本发明将分别采用N-甲基吡咯烷酮、吡啶、乙二醇为溶剂替代常用的肼溶剂，制备出CulnS₂前躯体溶液墨水，再将其旋涂到基板上硒化处理得到Culn(Se,S)₂薄膜。希望能通过本项目研究找到有机肼的最佳替代品，探索出无毒、高性能、规模化的铜铟硒硫薄膜制备工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、安全无毒、成本低、适用大规模生产的太阳能电池吸收层铜铟硒硫薄膜的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种太阳电池用铜铟硒硫薄膜的制备方法，其特征在于按如下的步骤进行：