[发明专利]一种循环浸渍制备Cu2ZnSn(S1‑x,Sex)4纳米晶薄膜的方法

说明书

技术领域：

本发明属于纳米晶体薄膜制备技术领域，涉及一种新型Cu₂ZnSn(S_1-x,Se_x)₄太阳能电池光吸收层的制备方法，特别是一种循环浸渍制备Cu₂ZnSn(S_1-x,Se_x)₄纳米晶薄膜的方法。

背景技术：

随着环境污染问题日益严重以及不可再生资源的枯竭，寻求清洁无污染的替代能源，实现可持续发展，已经成为世界各国共同面临的问题。太阳能作为一种储量丰富并且可无限再生的清洁能源，吸引了越来越多的注意力。伴随着光伏组件的广泛使用，如何提高电池光电转换效率、降低成本是目前光伏发电的研究热点。目前，太阳能电池产业化占主导地位的是硅基太阳能电池和铜铟镓硒(Cu₂InGa(S_1-x,Se_x)₄,简称CIGSSe)薄膜太阳能电池，这两类太阳能电池的显著优势在于都具有较高的光电转换效率，但是硅基太阳能电池的生产成本过高导致其大范围推广使用受到一定的制约；而铜铟镓硒薄膜太阳能电池所应用的In和Ga元素在地球上的储存量有限，属于稀有元素，并且在其制备过程中会产生对环境的污染，这些因素无形中提高了生产成本，使得基于CIGSSe薄膜的光伏电池的发展空间非常有限。在CIGSSe薄膜的基础上，研究人员发现可以用Zn和Sn取代In和Ga元素从而制备出Cu₂ZnSn(S_1-x,Se_x)₄(简称CZTSSe)薄膜，其禁带宽度约为1.5eV，与半导体太阳能电池所要求的最佳禁带宽度十分接近，并且具有较大的光吸收系数(＞10⁴cm^-1)。CZTSSe材料不含有有毒成分，对环境友好，不会造成任何污染，目前已经成为了替代CIGSSe光电吸收层的最佳候选材料。据最新报道，CZTSSe薄膜太阳能电池的光电转化效率已经达到了12.6％，而其理论值高达32.2％，因此CZTSSe薄膜电池是一种非常具有应用潜力的太阳能电池。

目前，Cu₂ZnSn(S_1-x,Se_x)₄薄膜的制备方法主要分为真空法和非真空法，真空法主要包括溅射法、气相沉积法和蒸镀法等，但是真空法设备昂贵，操作复杂，难以大面积成膜，并且原材料利用率低，重复性差，直接制约了其大规模生产；而非真空法主要包括电化学沉积法、溶胶-凝胶法和丝网印刷法等，相对真空法而言，非真空法无需昂贵的真空设备，因此更具发展潜力。最近有采用连续离子层吸附反应的方法制备Cu₂ZnS_x薄膜和ZnS薄膜叠层预制层结构或者Cu₂S薄膜和ZnSnS_x薄膜叠层预制层结构，然后进行退火处理得到铜锌锡硫薄膜的专利(申请号201110189391.2)，但是该技术工艺复杂，材料制备的时间长。因此，寻求设计一种改进的连续离子层吸附反应的方法直接在衬底上制备前躯体薄膜，再通过在含硫/硒气氛中退火获得均匀的Cu₂ZnSn(S_1-x,Se_x)₄纳米晶薄膜，其中硫和硒的比例可以通过气氛中硫和硒的比例调节来实现。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种循环浸渍制备Cu₂ZnSn(S_1-x,Se_x)₄纳米晶薄膜的方法，采用改进的连续离子层吸附反应的方法直接在衬底上制备前躯体薄膜，再通过在含硫/硒气氛中退火获得均匀的Cu₂ZnSn(S_1-x,Se_x)₄纳米晶薄膜，其中硫和硒的比例可以通过气氛中硫和硒的比例调节来实现。

为了实现上述目的，本发明的具体制备工艺包括以下步骤：