[发明专利]一种吸收层具有元素梯度的铜锌锡硫薄膜太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种吸收层具有元素梯度的铜锌锡硫薄膜太阳能电池及其制备方法。该太阳能电池包括依次层叠的衬底、背电极层、CZTS吸收层、缓冲层、透明导电氧化物层及顶电极，其中，CZTS吸收层在厚度方向上具有Cu和Zn元素梯度，其化学式为Cu_aZn_bSnS_c，其中，1.6≤a≤2，1≤b≤1.35，3.8≤c≤4.5。本发明在电池吸收层铜锌锡硫沉积过程中，通过改变不同深度下Cu(Zn)元素的沉积量，在吸收层厚度方向形成Cu和Zn元素的梯度分布，构建具有梯度带隙结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池。该方法能够有效增大电池的短路电流，并进而提高电池的光电转换效率。

技术领域

本发明涉及一种吸收层具有元素梯度的铜锌锡硫薄膜太阳能电池及其制备方法，属于光伏技术领域。

背景技术

铜锌锡硫(CZTS)薄膜太阳能电池的结构与铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池的结构极为相近，二者的差异仅在于吸收层材料，CZTS电池以廉价的Zn和Sn元素替换了CIGS电池中昂贵的稀有金属In和Ga，电池成本得到极大降低。目前，纯CZTS薄膜电池的最高光电转换效率只有9.2％[Kato T.et al.，27th European Photovoltaic Solar Energy Conferenceand Exhibition，2236(2012)]，距离其理论效率32.2％仍有极大差距[Guo Q.et al.，J.Am.Chem.Soc.，131(2009)，11672]，因此，CZTS薄膜太阳能电池性能的优化是近年来光伏领域的研究热点之一。

研究表明，CZTS载流子寿命低[Dhakal T.P.et al.，Sol.Energy，100(2014)，23；Repins I.et al.，Sol.Energy Mater.Sol.Cells，101(2012)，154；Barkhouse D.A.R.etal.，Prog.Photovolt.：Res.Appl.，20(2012)，6]、电池短路电流密度(J_sc)小(3～20mA/cm²)[Chen S.et al.，Adv.Mater.，25(2013)，1522]是导致其电池效率低下的主要原因之一。有关CIGS薄膜电池的研究对于解决CZTS电池的上述问题极具借鉴意义[Contreras M.A.etal.，Proceedings of the First World Conference on Photovoltaic EnergyConversion，68-75(1994)；Gabor A.M.et al.，Sol.Energy Mater.Sol.Cells，41(1996)，247；Gorji N.E.et al.，Sol.Energy，86(2012)，920；Powalla M.et al，Sol.EnergyMater.Sol.Cells，119(2013)，51]。在CIGS薄膜电池中，通过控制吸收层CIGS中元素In和Ga的梯度分布可以在吸收层中构建梯度带隙结构，这种梯度带隙结构能够有效提高光生载流子的寿命以及电池的J_sc，进而提高电池的光电转换效率。鉴于此，国际上已有一些研究机构开展了具有元素梯度的CZTS薄膜太阳能电池的研究工作，目前主要集中在以下两个方面：1)对CZTS掺杂Se，用Se替代S，研究Se和S梯度分布产生的梯度带隙结构对CZTS电池性能的影响[Woo K.et al.，Sci.Rep.，3(2013)，3069；Hironiwa D.et al.，Jpn.J.Appl.Phys.，53(2014)，071201]；2)对CZTS掺杂Ge，用Ge替代Sn，研究Ge和Sn梯度分布产生的梯度带隙结构的影响[Kim I.et al.，Chem.Mater.，26(2014)，3957]。上述研究虽然取得了一定进展，但是，Se和Ge掺杂使得CZTS材料体系变得更加复杂，电池制备的可控性大大降低，而且，Se与S相比具有一定的毒性，在一定程度上会制约电池的应用。