[发明专利]一种铜锌锡硫吸收层薄膜的化学合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池器件制备技术领域，具体地讲，涉及的是一种铜锌锡硫吸收层薄膜的化学合成方法。

背景技术

铜铟镓硒（CuIn_xGa_1-xSe₂）薄膜太阳能电池具有转换效率高、长期稳定性好、抗辐射能力强、实验室光电转换效率超过20%等优点，被认为是最具发展前景的薄膜太阳电池之一。然而，CuIn_xGa_1-xSe₂吸收层中的In、Ga、Se为稀有元素且有一定的毒性，严重制约了CuIn_xGa_1-xSe₂薄膜电池的产业化发展。同为黄铜矿结构的半导体化合物铜锌锡硫（Cu₂ZnSnS₄）被认为是最有可能成为取代CuIn_xGa_1-xSe₂吸收层的材料。Cu₂ZnSnS₄ 是p型半导体，光学带隙1.5eV，光吸收系数高达10⁴cm^-1，适合作为薄膜太阳能电池的吸收层。和In、Ga、Se相比，Zn、Sn和S的储量丰富、价格低廉、毒性低且环保。

典型的Cu₂ZnSnS₄薄膜太阳能电池的结构与CuIn_xGa_1-xSe₂类似，从下至上依次为衬底/背电极/吸收层/缓冲层/窗口层/上电极的多层膜结构。其中Cu₂ZnSnS₄吸收层的性能直接关系到薄膜太阳电池的性能，吸收层的成分配比和成膜性能是影响电池的光电转换效率的关键因素。

目前，Cu₂ZnSnS₄吸收层的制备方法主要分两大类：第一类是物理法，以溅射法和蒸发法为主，该类方法成膜结构致密，结晶性能优异，但是由于镀膜全程在高真空下进行，镀膜成本高，成分控制不精准，成膜均匀性差。第二类是化学法，主要包括电化学法、溶胶凝胶法、水热法等，各有其优缺点。电化学法制备的薄膜生长方向可控，但其成膜速度效率低，成分控制性差，且成膜过程中产生的废液对环境污染；溶胶凝胶法易于实施且成分可控，但其杂质较多，成膜结晶质量差，效率低；水热法，也叫肼胺法，制备的Cu₂ZnSnS₄吸收层电池效率高，但反应需在高压下进行，且薄膜成分不可控。

发明内容

为克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种操作简单、设备简易且过程可控的铜锌锡硫吸收层薄膜的化学合成方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种铜锌锡硫吸收层薄膜的化学合成方法，包括以下步骤：

（S10）将铜源、锌源、锡源和硫源采用水热法制备Cu₂ZnSnS₄纳米晶；

（S20）对制备的Cu₂ZnSnS₄纳米晶进行离心提纯处理；

（S30）将提纯后的Cu₂ZnSnS₄纳米晶均匀分散在有机溶剂里，丝网印刷成膜后低温烧结，制得预制薄膜；

（S40）对步骤（S30）获得的预制薄膜进行后硫化处理，获得Cu₂ZnSnS₄吸收层薄膜。

具体地，所述步骤（S10）中水热法制备Cu₂ZnSnS₄纳米晶包括如下步骤：

（S11）选择铜、锌、锡的硫酸盐、硝酸盐或氯化物作为铜源、锌源和锡源，硫脲作为硫源，按摩尔比例为2:1:1:4选取铜源、锌源、锡源和硫源混合均匀后，将混合物作为溶质溶于特定溶剂中配制成混合溶液，其中特定溶剂与溶质的质量比为10±0.5:1；

（S12）对上述制得的混合溶液进行超声分散和超声破碎，直到溶质完全溶解在溶剂中；

（S13）将步骤（S12）制得的溶液转移至水热釜内进行水热反应，制得Cu₂ZnSnS₄纳米晶。

其中，所述步骤（S11）中特定溶剂为乙醇、乙二醇、油胺、乙腈、硫代乙酰胺、十二烷基硫醇中的一种或两种。