[发明专利]一种通过界面改性制备铜锌锡硫类薄膜太阳能电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能技术领域，特别涉及铜锌锡硫类薄膜太阳能电池的制备工艺。

背景技术

铜锌锡硫（Cu₂ZnSnS₄，简称CZTS）为I₂–II–IV–VI₄族四元锌黄锡矿半导体材料，其组成元素铜、锌、锡、硫无毒，且在地球中含量相对较高。铜锌锡硫为直接带隙半导体，光学带隙Eg为1.4-1.5eV，与光伏电池的理想带隙1.4eV非常接近，具有较大的光吸收系数大于10⁴cm^-1，因此CZTS是理想的薄膜太阳能电池吸收层材料。IBM公司采用联氨溶液沉积吸收层的方法构筑了铜锌锡硫硒（CZTSSe）薄膜太阳能电池，其转化效率高达12.6%，是该类电池目前的最高效率。但是在此过程中用到肼作为反应物和溶剂，肼毒性较强，且具有很强的腐蚀性，不利于大规模的工业生产。因此非真空条件下基于纳米墨水的化学湿法制备铜锌锡硫类薄膜太阳能电池，因其低成本、毒性小甚至无毒的特点，近年来成为研究的热点。

现有铜锌锡硫类薄膜太阳能电池中，铜锌锡硫类薄膜处于Mo背接触层与缓冲层CdS之间，基于纳米墨水的化学湿法制备该类电池存在铜锌锡硫类纳米晶成膜形貌粗糙不均匀，薄膜的结晶性差，与Mo背接触层附着力较差的弊端，导致其转化效率较低，因此有必要改善电池结构中的铜锌锡硫类薄膜质量，从而提高铜锌锡硫类薄膜太阳能电池的效率。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述基于纳米墨水的化学湿法制备该类电池存在铜锌锡硫类纳米晶成膜形貌粗糙不均匀，结晶性差，与Mo背接触层附着力较差的技术问题，提出一种通过界面改性制备铜锌锡硫类薄膜太阳能电池的方法。

本发明阐述的铜锌锡硫类薄膜太阳能电池为多层膜结构：衬底／Mo背接触层／铜锌锡硫类光吸收薄膜层/CdS缓冲层/ZnO窗口层/MgF₂减反膜和金属栅电极Ni-Al。

本发明通过在Mo背接触层上以一定的制膜方法（直流磁控溅射、电子束蒸发、溶胶-凝胶、电化学镀）制备一层Cu₂S_1-xSe_x预制层,其中0≤x≤1。Cu₂S_1-xSe_x预制层与Mo背接触层附着力强，其膜层厚度可控，膜厚在100-500nm，表层为微观粗糙绒面。Cu₂S_1-xSe_x预制层的组成成分是铜锌锡硫类吸收层材料的部分组成元素，并且也是半导体薄膜，与铜锌锡硫纳米颗粒的结合力更强，同时Cu₂S_1-xSe_x预制层表面的微观粗糙绒面使之与铜锌锡硫纳米晶的结合能力进一步增强；铜锌锡硫纳米墨水成膜后，经过氮气或氩气等惰性气体保护下300-600℃高温退火，使Cu₂S_1-xSe_x预制层与贫铜的铜锌锡硫纳米晶薄膜完成扩散融合及化学反应。为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

步骤1：采用直流磁控溅射的方法在衬底上制备电阻率在10^-5Ω·cm量级，厚度约为1μm的Mo背接触层。

步骤2：在步骤1制备的Mo背接触层上采用直流磁控溅射、电子束蒸发、电化学镀或溶胶-凝胶制备一层膜层厚度为100nm-500nm，表层为微观粗糙绒面的Cu₂S_1-xSe_x预制层，其中0≤x≤1。

步骤3：基于纳米墨水成膜工艺将贫铜富锌的铜锌锡硫纳米晶在步骤2制备的Cu₂S_1-xSe_x预制层上沉积贫铜富锌的铜锌锡硫纳米晶薄膜；经氮气或氩气等惰性气体保护下300-600℃退火热处理，使Cu₂S_1-xSe_x预制层与铜锌锡硫纳米晶薄膜实现扩散融合及化学反应，得到铜锌锡硫类吸收层薄膜。

步骤4：在步骤3制备的铜锌锡硫类吸收层薄膜上通过化学水浴的方法制备一层厚度约50nm的CdS缓冲层。

步骤5：在步骤4制备的CdS缓冲层上通过射频磁控溅射工艺制备i-ZnO薄膜，再直流磁控溅射Al-ZnO薄膜得到ZnO窗口层。