[发明专利]一种提高Cu2ZnSnS4半导体薄膜载流子迁移率的方法

说明书

本发明涉及薄膜太阳电池制备技术领域，特指一种提高Cu₂ZnSnS₄半导体薄膜载流子迁移率的方法。其特征在于：在清洗后钠钙玻璃(SLG)上制备Si薄膜，在Si薄膜上制备CZT前驱体薄膜，将制备好的CZT前驱体薄膜在通有H₂S的退火炉中高温退火，得到CZTS半导体薄膜；利用Si去替位Sn，Si的掺杂在晶粒与晶粒之间形成了快速通道，从而提高了载流子迁移率。

技术领域

本发明涉及薄膜太阳电池制备技术领域，特指一种提高Cu₂ZnSnS₄半导体薄膜载流子迁移率的方法。

背景技术

近年来，随着地球上有限的石油和煤炭等不可再生资源的逐渐耗尽，可再生能源的利用与开发显得越来越紧迫，其中，太阳能光伏发电将取之不尽的辐射到地面上的太阳能通过太阳电池等光伏器件的光电转换而源源不断地转变成为电能，已经成为可再生能源中最安全、最环保和最具潜力的竞争者。目前制约太阳能光伏发电产业发展的瓶颈在于成本较高和转换效率偏低，从材料选择和制造成本来看，薄膜太阳电池是唯一的选择。精选电池材料并优化组件设计与制作工艺，转换效率有望得到提升；而提高生产效率扩大产能，成本也会随之得到降低。

铜锌锡硫(CZTS)是直接带隙四元化合物半导体，组成元素Cu,Zn,Sn,S 四种元素在地壳上含量丰富,成分无毒且环境友好。其禁带宽度为1.5eV，具有较好的光吸收系数(10⁴cm^-1)。根据理论计算，铜锌锡硫的光电转换效率可达到32％左右，是一种极具发展潜能的新型薄膜电池材料。近几年国内外的许多研究机构对CZTS薄膜及CZTS薄膜电池展开了更深入的研究。

目前的研究表明，采用溅射发制备得到的CZTS半导体薄膜的载流子迁移率为10-100之间，而且制备得到的器件的最高效率为9％,相对于理论最高的32％有很大的差距，可以看出迁移率较低，导致器件的效率一直难以提升。

CZTS是中等浓度的P型半导体材料，P型的来源主要是Cu_Zn。在掺杂时，空穴浓度尽量变化不要太大，为此我们利用Si去替位Sn，由于不影响Cu替代 Zn位，仅仅是硅提供了多余的电子，导致空穴浓度降低不是太大，并且Si的掺杂在晶粒与晶粒之间形成了快速通道，从而提高了载流子迁移率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种更为简易，直观，低廉的提高CZTS半导体薄膜迁移率的方法：磁控溅射法沉积CZTS-Si金属预制层，高温硫化退火得到CZTS 半导体薄膜，通过Si元素的掺杂，制备得到载流子迁移率较高的CZTS薄膜

一种提高Cu₂ZnSnS₄半导体薄膜载流子迁移率的方法，其特征在于：在清洗后钠钙玻璃(SLG)上制备Si薄膜，在Si薄膜上制备CZT前驱体薄膜，将制备好的CZT前驱体薄膜在通有H₂S的退火炉中高温退火，得到CZTS半导体薄膜；利用Si去替位Sn，Si的掺杂在晶粒与晶粒之间形成了快速通道，从而提高了载流子迁移率。

进一步地，通过控制制备的Si薄膜的厚度来控制掺杂浓度，从而得到载流子迁移率不同程度提高的Cu₂ZnSnS₄半导体薄膜。

进一步地，Si薄膜的厚度控制在5-15nm，优选15nm；随着Si薄膜的厚度的增加，Cu₂ZnSnS₄半导体薄膜的载流子迁移率变大。

本发明所涉及的一种提高CZTS半导体薄膜迁移率的方法按以下步骤实施：

(1)钠钙玻璃(SLG)的清洗，将钠钙玻璃分别用碱性溶液，丙酮，乙醇，去离子水超声清洗30分钟，并用氮气吹干。