[发明专利]铜锌锡锗硒薄膜及其制备方法、铜锌锡锗硒薄膜太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及光伏技术，特别是涉及铜锌锡锗硒薄膜及其制备方法、铜锌锡锗硒薄膜太阳能电池。

背景技术

薄膜太阳能电池成本低重量轻，能在多种便宜的衬底上制备成器件，便于大规模生产，是未来太阳能电池发展的重要方向。其具有光伏效率高和成本低的优点，而且由于薄膜太阳能电池的合金材料中的元素铜、锌、锡及硒的地球储量非常丰富，不含有毒成分，克服了薄膜太阳能光伏材料的资源瓶颈，在大规模光伏发电领域具有可持续发展的能力，将是未来薄膜光伏电池中潜力巨大的竞争者。

薄膜太阳能电池的结构为多层膜结构，从入光面开始，依次包括：金属栅极层、透明电极层、窗口层、缓冲层、薄膜、背电极层及衬底。在铜锌锡锗硒薄膜太阳能电池中，薄膜为铜锌锡锗硒薄膜，处于缓冲层与背电极层之间，用于对光的吸收和转换。

虽然以铜锌锡硫为代表的无铟铜基化合物薄膜太阳能电池的效率最近2年有了显著提升，但是这类薄膜太阳能电池中，载流子的扩散长度偏小，导致材料深处产生的电荷不能被有效收集，光电转换效率不高。

发明内容

基于此，有必要提供一种光电转换效率较高的铜锌锡锗硒薄膜及其制备方法。

一种铜锌锡锗硒薄膜，包括：

入光层，包括第一入光面及与所述第一入光面相对的第一背光面，所述入光层的材料中锗与锡的摩尔比值沿所述第一入光面到所述第一背光面的方向逐渐降低；

中间层，所述中间层的材料与所述第一背光面处材料中锗与锡的摩尔比值相等；及

背光层，所述入光层、所述中间层及所述背光层依次层叠，所述背光层包括与所述中间层相连的第二入光面及远离所述中间层的第二背光面，所述第一背光面通过所述中间层与所述第二入光面相连接，所述背光层的材料中锗与锡的摩尔比值沿所述第二入光面到所述第二背光面的方向逐渐升高；

其中，所述第二入光面处材料与所述第一背光面处材料中锗与锡的摩尔比值相等，所述第一入光面处材料中锗与锡的摩尔比值低于所述第二背光面处材料中锗与锡的摩尔比值。

在其中一个实施例中，所述入光层的厚度为200~500纳米，所述中间层的厚度为500~1000纳米，所述背光层的厚度为1000~1800纳米。

在其中一个实施例中，所述入光层的第一入光面处材料中锗与锡的摩尔比为2:3~1∶1，所述中间层材料中锗与锡的摩尔比为1:4，所述第二背光面处材料中锗与锡的摩尔比为3:2~7:3。

一种铜锌锡锗硒薄膜的制备方法，包括以下步骤：

将衬底加热至450~600℃；

采用蒸镀法或溅射法，分别产生铜蒸汽及锌蒸汽，并通过蒸镀法加热锡源、锗源及硒源，产生锡蒸汽、锗蒸汽及硒蒸汽，将所述铜蒸汽、锌蒸汽、锡蒸汽、锗蒸汽及硒蒸汽同时沉积在所述衬底上，从第二背光面开始生长所述铜锌锡锗硒薄膜，且在生长中的所述铜锌锡锗硒薄膜的薄膜表面呈富铜状态；

调节所述锗源及所述锡源的加热温度，使所述锗蒸汽与所述锡蒸汽的摩尔比值随时间逐渐下降，直至背光层沉积形成完毕；

保持所述锗蒸汽与所述锡蒸汽的摩尔比值不变，直至中间层沉积形成完毕；

停止输入所述铜蒸汽，并调节所述锗源及所述锡源的加热温度，使所述锗蒸汽与所述锡蒸汽的摩尔比值随时间逐渐上升；

当沉积所得薄膜表面材料由富铜状态转变为贫铜状态时，停止输入所述锌蒸汽及锗蒸汽，并停止对所述衬底的加热，形成入光层；

当所述衬底温度下降到420~480℃时，停止输入所述锡蒸汽；及

当所述衬底温度下降到260~350℃时，停止输入所述硒蒸汽，制得铜锌锡锗硒薄膜。

在其中一个实施例中，所述调节所述锗源及所述锡源的加热温度，使所述锗蒸汽与所述锡蒸汽的摩尔比值随时间逐渐下降的方法为：逐渐降低所述锗源的加热温度和/或逐渐升高所述锡源的加热温度；

所述调节所述锗源及所述锡源的加热温度，使所述锗蒸汽与所述锡蒸汽的摩尔比值随时间逐渐上升的方法为：逐渐升高所述锗源的加热温度和/或逐渐降低所述锡源的加热温度。

在其中一个实施例中，所述入光层的厚度为200~500纳米，所述中间层的厚度为500~1000纳米，所述背光层的厚度为1000~1800纳米。

一种铜锌锡锗硒薄膜的制备方法，包括以下步骤：

将衬底加热至450~600℃；