[发明专利]一种电沉积后硫化退火制备太阳能电池缓冲层硫化锌薄膜材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源光电薄膜材料技术领域。涉及一种薄膜太阳能电池缓冲层材料 的制备方法，具体涉及一种采用恒电位法电沉积锌-硫预制薄膜后硫化退火形成硫化锌薄 膜的方法。

背景技术

随着当今世界能源问题的出现，太阳能电池的开发和利用受到人们的普遍关注。 黄铜矿系列Cu(In,Ga,Al)(S,Se)₂(CIGASS)材料为直接带隙半导体，具有高的光吸收系 数，达到10⁵cm^-1，只需1-2um厚的薄膜就可以吸收99%以上的太阳光，而且抗辐照能力强，稳 定性好，弱光特性好，因此CIGASS薄膜太阳能电池有望成为新一代太阳电池的主流产品之 一，目前已经成为国际光伏界的研究热点。其中以铜铟镓硒（CIGS）为吸收层材料的电池已 经取得薄膜太阳能电池中的最高转化率21.7％。在电池结构中的缓冲层厚度虽然只有50nm 左右，但是对于太阳能电池来说却是至关重要的。缓冲层能够与吸收层形成异质结从而使 光生载流子分离，而且可以保护吸收层不被破坏。CIGS太阳能电池主要是用CdS作为缓冲 层，但是CdS的禁带宽度只有2.4eV,限制了电池吸收层的短波响应，使CdS/CIGS太阳能电池 的量子效率在短波范围内下降。而且CdS中的Cd元素是有毒重金属，生产过程中含Cd废水的 排放，以及报废电池中Cd的流失，都会对环境造成污染。因此，无镉缓冲层的开发成为热点。 ZnS替代CdS具有如下优势：无毒环保；禁带宽度(3.74eV)比CdS(2.4eV)宽很多，不仅可以提 高电池的短路电流，还有利于增强太阳电池短波区的光谱响应；ZnS与CIGS结合性、覆盖性 好，电池转换效率高；ZnS可减小电子亲和势，提高开路电压。这些优势使之成为理想的硫化 镉的替代物。

目前制备硫化锌薄膜的方法主要有：真空蒸发、磁控溅射、分子束外延和电沉积 法。通过真空蒸发法制备的电池效率比较高，但是该方法对设备要求比较高，原料利用率低 且蒸发过程不容易控制，重复性比较差，难以实现工业化大规模生产。另外磁控溅射法和分 子束外延法能较精确地调节各元素的比例，制备的薄膜质量好均匀性高，重复性好，转化效 率高。但是同样的是制备工艺比较复杂，设备要求高且生产效率比较低，生产成本高，大规 模生产难以实施。而电沉积法设备简单，可以实现连续大面积低温多组分沉积，而且沉积薄 膜的厚度容易控制，也可以在各种复杂表面基体上沉积，电沉积溶液可多次重复利用，生产 成本低，生产效率高，薄膜质量好，因而更适合于工业化生产。

在水溶液中进行电沉积，多元素共沉积时由于沉积电势过负很容易发生析氢反 应，使沉积的薄膜孔洞多，不均匀，薄膜组分偏离化学计量比，薄膜质量差，严重阻碍太阳能 电池的转化效率。离子液体有较宽的电化学窗口，热稳定性好，是一种优秀的电沉积溶液。 本发明中采用离子液体作为电解液，可有效避免析氢反应。所制备的薄膜表面平整致密，均 匀性好，制备效率高。

发明内容

本发明的目的在于针对水溶液中电沉积制备硫化锌薄膜材料的不足之处，提供了 一种在离子液体中电沉积法制备平整致密的硫化锌薄膜的方法。以锌的金属盐和硫代硫酸 钠为主要原料，按一定摩尔比溶解于离子液体中作为电化学沉积的电解质溶液。采用三电 极恒电位电沉积制备锌硫前驱体薄膜，再将前驱体薄膜在真空或者惰性保护气体中硫化退 火重结晶，得到硫化锌薄膜材料。本发明工艺简单、成本低、效率高、成分和形貌可控、原材 料利用率高，制备效率高。

本发明实现上述目的的技术方案为：

一种电沉积后硫化退火制备太阳能电池缓冲层硫化锌薄膜材料的方法，包括如下步 骤：

（1）将氯化胆碱和乙二醇按摩尔比1:2混合，真空中放置形成无色透明的离子液体；

（2）将锌的金属盐溶解在步骤（1）所得离子液体中，搅拌使其充分溶解；再加入硫代硫 酸钠，搅拌使其充分溶解，得到离子液体电沉积溶液；

（3）以基底材料为工作电极,饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，采用三电极恒 电位法对步骤（2）所得离子液体电沉积溶液在基底材料上进行电沉积，得到Zn-S预制膜，即 Zn-S前驱体薄膜；

（4）将Zn-S预制膜置于含有硫粉的真空或惰性保护气体中硫化退火，最后得到太阳能 电池缓冲层硫化锌薄膜材料。