[发明专利]一种铜锌锡硫薄膜太阳电池器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜太阳电池领域技术，特别是一种基于聚酰亚胺柔性衬底的铜锌锡硒薄膜太阳电池器件及其制备。

背景技术

铜锌锡硒材料(CZTSe)属于I2-III-IV-VI4族四元化合物半导体，主要具有锌黄锡矿、黄锡矿和铜金合金结构。其中，锌黄锡矿结构比起其他结构类型在热力学上有着更好的稳定性。

铜锌锡硒电池的特点：铜锌锡硒各组成元素储量丰富且对环境无污染，制备成本低；铜锌锡硒的禁带宽度在1.0eV左右，与太阳光谱非常匹配；铜锌锡硒是一种直接带隙p型半导体材料，光学吸收系数超过10⁴cm^-1，非常适合作为薄膜太阳电池的吸收层材料；电池转换效率高，从理论上将可达到单结电池的最高转换效率。2013年Solar Frontier公司与IBM、东京应化工业(TOK)合组的共同研发的CZTS薄膜太阳电池转换效率提高至12.6％(电池尺寸0.42cm²)。

航空航天领域需要太阳电池有较高的质量比功率，即希望单位质量的太阳电池能发出更多的电量。对于地面光伏建筑物的曲面造型和移动式的光伏电站等要求太阳电池具有柔性、可折叠性和不怕摔碰，这就促进了柔性太阳电池的发展。由于相对较强的耐高温能力和较为适合的膨胀系数，聚酰亚胺(PI)在其中脱颖而出。

发明内容：

本发明提供了一种基于聚酰亚胺衬底的铜锌锡硒薄膜太阳电池器件的制备方案。以柔性的聚酰亚胺膜作为衬底，在其表面依次制备背接触层、铜锌锡硒吸收层、硫化镉缓冲层、透明窗口层和铝上电极。

本发明的技术方案

一种基于聚酰亚胺柔性衬底的铜锌锡硒薄膜太阳电池，所用聚酰亚胺膜的厚度为25-30μm；钼背接触层生长于聚酰亚胺膜衬底之上，分为高阻层和低阻层，其中高阻层的厚度为80-120nm，低阻层的厚度为600-700nm，采用直流磁控溅射系统制备；铜锌锡硒吸收层生长于钼薄膜之上，化学分子式为Cu₂ZnSnS₄，导电类型为p型，厚度为1-2μm，采用DM-700型镀膜机，应用共蒸发制备工艺；硫化镉缓冲层生长于铜锌锡硒吸收层表面，化学分子式为CdS，导电类型为n型，厚度为45-50nm，采用化学水浴法制备工艺；透明窗口层生长于硫化镉缓冲层之上，分为高阻本征氧化锌薄膜和低阻氧化锌铝薄膜，导电类型为n型，其中本征氧化锌薄膜的厚度为50-100nm，氧化锌铝薄膜的厚度为0.4-0.6μm，分别采用射频磁控溅射制备系统和直流磁控溅射制备系统制备；铝上电极薄膜生长于透明窗口层之上，其厚度为0.8-1.5μm，采用共蒸发制备系统制备。

钼背接触层的制备步骤如下：

在直流磁控溅射沉积系统的沉积室中，以纯度为99.99％的Mo为靶材，采用射频磁控溅射制备系统在衬底表面分别沉积一层高阻和低阻的钼薄膜。

所述在衬底表面沉积一层高阻薄膜的工艺参数为：本底真空：3.0×10^-4Pa，工作气压为1-2Pa，衬底温度为室温25-50℃，射频功率为500-700W，Ar气流量为30-50sccm，基靶行走速度为4-6mm/s，沉积时间(基靶的往复次数)为2-4次。

所述在衬底表面沉积一层低阻薄膜的工艺参数为：工作气压为0-0.5Pa，衬底温度为室温25-50℃，射频功率为1500-2000W，Ar气流量为15-20sccm，基靶行走速度为4-6mm/s，沉积时间(基靶的往复次数)为4-6次。

铜锌锡硒吸收层薄膜的制备步骤如下：

本底真空为3.0×10^-4Pa，衬底温度为450-500℃，Cu蒸发源温度为1100-1200℃，Zn蒸发源温度为300-400℃，Sn蒸发源温度为1000-1100℃，Se蒸发源温度为220-240℃，共蒸发Cu、Zn、Sn、Se四种元素，蒸发时间为30-50min，得到的薄膜为p型直接带隙半导体，锌黄锡矿结构。通过调整衬底、各蒸发源温度及共蒸时间，控制铜锌锡硒薄膜贫铜富锌，其中Cu/(Zn+Sn)＝0.8-1.0，Zn/Sn＝1.0-1.2，Se/(Cu+Zn+Sn)约等于1。随后将各蒸发源冷却到室温，同时将衬底冷却，当蒸发Sn和Se的同时将衬底冷却到300-350℃时，关闭Sn和Se蒸发源，再将衬底冷却到室温。

硫化镉缓冲层的制备步骤如下：