[发明专利]一种铜锌锡硫太阳电池窗口层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铜锌锡硫太阳电池窗口层的制备方法，属太阳能电池薄膜器件制备工艺技术领域。

背景技术

氧化锌（ZnO）是一种II-VI族宽禁带氧化物半导体材料，其带宽约为3.37eV，呈现良好的n型半导体性能，具有很好的光电性质。ZnO具有制备成本低、生长温度低的特点，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量，也易于实现掺杂。同时，ZnO薄膜的原料丰富、无毒、对环境没有污染，是一种环保型材料，基于这些优良性能，ZnO可用作太阳能电池的窗口材料。

硫化锌（ZnS）也是宽带隙半导体材料，室温下禁带宽度为3.66eV，被认为是包覆ZnO纳米材料的优选材料；也是一种研究得最多和最为广泛的金属硫化物之一，因其具有热红外透明性、荧光和磷光等独特的光物理特性，引起了人们的极大兴趣。ZnO和ZnS是具有不同能级的两种半导体，可以制成二元的复合胶体体系，形成ZnS包覆ZnO的核壳式的包覆结构，再用有机材料进行表面修饰，而引起光学特性的变化。目前，对于ZnOZnS一维纳米体系，基本都是以ZnO纳米棒为核心，通过硫化ZnO纳米棒来生长ZnOZnS核壳纳米结构。

ZnOZnS纳米阵列核壳结构具有宽禁带、高透过率及良好的电学性能，适合作为CZTS的窗口层，能与CZTS形成pn结，制备出太阳能电池。

目前，ZnOZnS纳米阵列核壳结构的制备方法有化学气相沉积法（CVD），但是CVD反应温度较高，沉积速率较低，难以局部沉积。参与沉积反应的气源和反应后的余气都有一定的毒性。迄今为止还没有记载过用水热法制备作为CZTS太阳能电池窗口层的ZnOZnS纳米阵列核壳结构。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种铜锌锡硫太阳电池窗口层的制备方法，一种ZnS包覆的ZnO（简称为ZnOZnS）纳米阵列核壳结构的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铜锌锡硫太阳电池窗口层的制备方法，利用旋涂法制备ZnO纳米阵列晶种，利用水热法生长ZnO纳米阵列，利用水热法硫化生长ZnS壳层结构，具有如下工艺过程和步骤：

a)玻璃衬底的清洗：采用载玻片作为衬底，先将衬底用曲拉通水溶液、丙酮、无水乙醇、去离子水分别在超声条件下进行清洗；

b) ZnO纳米阵列晶种的制备：乙醇胺和醋酸锌溶于乙醇，浓度均为0.05mol/L，超声均匀；将载玻片衬底放入匀胶机中，用滴管将晶种溶液分别滴在衬底上，通过匀胶机进行旋涂，转速为1000 r/min；

c) ZnO纳米阵列的生长：采用水热法生长ZnO纳米阵列；生长溶液为0.05mol/L硝酸锌的水溶液和0.05mol/L六亚甲基四胺（HMT）的水溶液；将两种溶液各取8mL，充分混合后加入到水热反应釜中，将制好ZnO纳米阵列晶种的载玻片衬底也放入其中，并置于92.5℃的烘箱中；1~3小时后取出，用去离子水洗去表面附着的颗粒，最后用真空管式炉退火；退火在N2气氛中进行，温度为400℃，时间为30min；

d)ZnS壳层结构的生长：采用水热法硫化生长ZnS壳层结构；生长溶液为0.05~0.50mol/L硫代乙酰胺（TAA）的水溶液，取17ml生长溶液，加入到水热反应釜中，将制好的ZnO纳米阵列也放入其中；并置于90℃的烘箱中；硫化1~9小时后取出，用去离子水洗去表面附着的颗粒，最后放入烘箱，烘干得到ZnS包覆的ZnO纳米阵列核壳结构，即为铜锌锡硫太阳电池窗口层。

与现有技术相比，本发明具有如下的突出的实质性特点和显著的进步：

水热法制备ZnO纳米阵列，沉积速率稳定，通过精确地控制水热生长时间，膜厚易控制，且重复性好。利用水热法在ZnO纳米阵列膜上保持原先的柱状形状，制备一层壳层结构的ZnS，从而形成ZnOZnS纳米阵列核-壳层结构，改变了单纯的ZnO纳米结构。采用的水热法省去了气相法制备所需要的复杂设备，是一种简单方便、经济实用的方法。水热法制备的ZnOZnS纳米阵列核壳结构与衬底的附着强度较高，具有高透过率、良好的电学特性，能够作为CZTS太阳能电池的窗口层，与后续电池的制备工艺具有良好的衔接。本发明设备简单，易于操作，重复性好。

附图说明

图1为ZnOZnS纳米阵列核壳结构硫化6h的X射线衍射谱（XRD），TAA浓度为0.20mol/L。

图2为ZnOZnS纳米阵列核壳结构硫化6h的紫外可见光透过率图谱。

图3为ZnOZnS纳米阵列核壳结构硫化6h的扫描电镜（SEM）图像，TAA浓度为0.20mol/L。