[发明专利]一种银掺杂铜锌锡硫硒光吸收层薄膜材料及其在太阳能电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种银掺杂铜锌锡硫硒光吸收层薄膜材料及其在太阳能电池中的应用，属于薄膜太阳能电池技术领域。

背景技术

得益于成本及技术优势，以CdTe、Cu(In,Ga)Se₂(CIGS)为代表的化合物薄膜太阳能电池近年来保持了强劲的发展势头。然而，CIGS及CdTe等主流薄膜太阳能电池在面向未来TW量级规模化生产时受到了原材料稀缺（In、Te）及组成元素有毒（Cd）等因素的制约。与上述材料体系相比，Cu₂ZnSnS₄（CZTS）的组成元素在地壳中含量更为丰富、且环境友好。CZTS化合物稳定的相结构为锌黄锡矿（kesterite）结构，具有理想的直接带隙值，如果将其中的S部分以Se代替形成Cu₂ZnSn(SSe)₄（CZTSSe），带隙在1.0～1.5 eV范围内连续可调，其 Shockley-Queisser理论转换效率可达31 %以上。同时，CZTSSe在可见光范围内高达10⁴ cm^-1的吸收系数，为理想的光吸收层材料。因而，CZTSSe材料体系的特点决定了该类太阳能电池具备未来规模化应用的潜力。

到目前为止，最高效率Cu₂ZnSnSe₄(CZTSe)太阳能电池的短路电流密度（Jsc）最高为40.6 mA/cm²，已达Shockley-Queisser理论值的80%以上，接近高效CIGS器件的电流密度水平，而开路电压（Voc）和填充因子（FF）最高仅为423 mV和67.3%；具最高转化效率的CZTS及CZTSSe太阳能电池的开路电压损失(Voc-deficit)分别为789 mV和603 mV，FF最高值分别为60.9%和70%。显然，该类电池的开路电压及填充因子损失不仅与理论值相差较大，即便与高效CIGS太阳能电池相比仍然有很大的提升空间。因而，改善Voc-deficit及FF-deficit是提高CZTS体系太阳能电池效率的关键。

CZTS四元体系相图中的纯相稳定区域非常狭窄，偏离该区域则很容易形成二元及三元杂相，因而实验上普遍认同贫铜富锌的元素组成（Cu/Zn+Sn»0.8；Zn/Sn»1.2）在改善薄膜p型导电性的同时可有效控制铜基杂相产生，但是在非化学计量比条件下杂相的形成是很难避免的。另一方面，Cu和Zn在周期表中是相邻元素，原子尺寸相差不大，因而Cu和Zn之间容易发生异位交换导致局部无序的kesterite结构，这也被认为是CZTS材料体系中Cu_Zn和 Zn_Cu反位缺陷形成的主要原因。而Ag原子半径远大于Zn原子半径，若以Ag原子部分替代Cu原子，则能够一定程度上减少具有受主特性的Cu_Zn反位缺陷的形成，从而有效调节吸收层的带隙和本征掺杂水平，提高成膜质量。因此可以预期，在成膜过程中引入Ag掺杂原子将大幅改善CZTSSe太阳能电池的开路电压及填充因子。

发明内容

本发明的目的在于提供一种银掺杂铜锌锡硫硒光吸收层薄膜材料及其在太阳能电池中的应用。

本发明通过在前驱体溶液中引入金属银离子得到银掺杂的CZTS前驱体溶液，采用旋涂方法制备银掺杂的CZTS前驱体薄膜，经后硒化处理制备了高质量的银掺杂铜锌锡硫硒（ACZTSSe）吸收层薄膜，制备过程中溶剂使用量少，生产设备简单，适于规模化生产。

一种银掺杂铜锌锡硫硒光吸收层薄膜材料，其特征在于该薄膜材料通过以下方法制备得到：

1）为配置不同Ag含量的CZTS前驱体溶液，Cu+Ag的总浓度保持在0.07~0.13 mol/L范围内，将0.07~0.13 mol/L金属铜盐和金属银盐加入有机溶剂中，搅拌至完全溶解后，加入0.03~0.07 mol/L金属锡盐继续搅拌至溶解，然后加入0.03~0.09 mol/L金属锌盐搅拌至完全溶解，最后加入2 mol/L的含硫化合物搅拌至完全溶解形成稳定的ACZTS前驱体溶液；

2）将镀钼玻璃依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗干净；

3）将前驱体溶液旋涂到镀钼的玻璃基底上，然后在150 ℃~550 ℃干燥1~10分钟，反复旋涂沉积；