[发明专利]一种单晶颗粒薄膜及其无衬底柔性太阳能电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电材料与器件技术领域，更具体地，涉及一种单晶颗粒薄膜及其无衬底柔性太阳能电池的制备方法。

背景技术

铜锌锡硫（CZTS）四元化合物和铜锌锡硫硒（CZTSSe）半导体被认为是最有希望取代铜铟镓硒Cu(In,Ga)Se₂薄膜太阳能电池吸收层的新型化合物半导体。首先，从晶体结构上来看，锌黄锡矿型CZTS是通过Zn和Sn取代黄铜矿相CuIn₂S中的两个In演化而来，因此，CIGS的制备方法和电池结构一般也适用于CZTS。CZTS和CZTSSe也是直接带隙p型半导体，光吸收系数大（>10⁴cm），其禁带宽度为1.5eV，Cu₂ZnSnS₄的带宽在1.5eV和1.0eV之间可调，接近单结太阳能电池的最优带隙1.4eV，这意味着它们作为吸收层制成电池可能达到很高的转换效率；更重要的是，CZTS的组成元素在地壳中储量丰富，基本无毒。上述优点使得CZTS成为替代CIGS薄膜、绿色、廉价、适合大规模生产的太阳能电池吸收层的最佳候选材料。

与二元和三元半导体相比，CZTS和CZTSSe这类半导体由于组成元素的增加，导致其具有更加复杂的物理性质，使得高效率薄膜电池的制备和性能优化变得更加困难；同时CZTS和CZTSSe相的热力学稳定区域非常小，各种杂质相、亚稳相与CZTS相互竞争，因此在CZTS和CZTSSe薄膜制备过程中，极易伴随出现各种二元、三元杂相及一些亚稳相，最终对CZTS和CZTSSe电池性能带来不利影响，这对CZTS和CZTSSe的组分可控制备是一个很大的挑战。如果在CZTS和CZTSSe薄膜制备过程中没有实现有效的组分控制，由于部分元素挥发，导致偏离化学计量比，则会出现杂相。所以，先制备单晶材料，再利用单晶颗粒成膜技术来制备电池成为解决这些问题的有效途径。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中CZTS和CZTSSe薄膜制备过程中组分难以实现有效控制，容易出现亚稳相、杂相等缺陷，提供一种单晶颗粒薄膜的制备方法。

本发明的第二个目的是提供上述方法制备获得无衬底柔性单晶颗粒薄膜。

本发明的第三个目的是提供含有上述无衬底柔性单晶颗粒薄膜太阳能电池。

本发明的第四个目的是提供上述太阳能电池的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

一种单晶颗粒薄膜的制备方法，包括以下步骤：

S1.利用提拉法在衬底上制备一层阿拉伯树胶薄膜；

S2.选取75～97μm的单晶颗粒，并与胶黏剂混匀，之后加入分散剂；所述单晶颗粒与胶黏剂的体积比为1：1.5～2，所述分散剂的加入量是单晶颗粒与胶黏剂混合物质量总和的0.1～1%；

S3.将单晶颗粒、胶黏剂和分散剂的混合物涂覆于阿拉伯树胶薄膜上，经固化、研磨露出单晶颗粒表面后清洗干燥即得单晶颗粒薄膜；

S2所述胶黏剂选自环氧树脂、聚氨酯胶、硅橡胶。

现有薄膜太阳能电池和薄膜的制备是同时的，这样薄膜吸收层的制备则会影响太阳能电池的性能，本发明通过利用溶剂热法制备得到的单晶颗粒作为薄膜吸收层的主要成分，以环氧树脂、聚氨酯胶、硅橡胶等胶黏剂和分散剂，制备获得性能优良的单晶颗粒薄膜吸收层，在制备单晶颗粒时，选择加入纳米铜锌锡硫纳米颗粒作为单晶颗粒生长的籽晶，同时将反应原料、助熔剂和籽晶进行研磨，获得形貌规则、组分均一的前驱体，将该前驱体在一定的温度和反应时间下反应，即可制备形貌可控，组分可控的单晶颗粒；由于单晶颗粒的使用，每个单晶颗粒形成一个电池单元，可以实现有效控制铜锌锡硫和铜锌锡硫硒的组分，降低薄膜吸收层的缺陷和界面杂质对器件性能的影响，该薄膜可用于后续制备薄膜太阳能电池。

发明人通过研究发现，实际上，仅仅利用单晶颗粒和胶黏剂、分散剂很难制备出合适的单晶颗粒薄膜，必须严格控制单晶颗粒与胶黏剂、分散剂的选择和配比，发明人研究后发现只有单晶颗粒、胶黏剂和分散剂的比例在上述范围内才能成功获得单晶颗粒。

优选地，所述分散剂为水性湿润分散剂，更优选地，所述分散剂为聚丙烯酰胺、十二烷基硫酸钠、脂肪酸聚乙二醇酯。

优选地，所述单晶颗粒的量为10～20g。

优选地，S1所述的阿拉伯树胶薄膜的厚度为20～40μm。

优选地，S3所述单晶颗粒、胶黏剂和分散剂的混合物的涂覆厚度为110～130μm。