[发明专利]化学水浴制备太阳能电池吸收层CuInS2薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池材料与器件技术领域，具体涉及一种化学水浴制备太阳能电池吸收层CuInS₂薄膜的方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，人们对化石能源的需求日益增长，传统化石能源所面临的困境越来越严峻。加之过度的化石能源的使用会对环境造成污染。因此，为了发展环境友好型经济跟解决能源危机问题，寻找一种新型的替代性能源显得尤为重要。太阳能是一种储量丰富、清洁无污染的可再生能源。而将该能源直接转化成电能的有效方式是光伏发电，即太阳能电池。

发展至今，太阳能电池种类繁多，其中铜铟镓硒系列薄膜太阳能电池具有效率高、成本低廉、稳定性好、无毒等优点，所以被看作是一类具有最有很大发展潜力的薄膜太阳能电池。而铜铟镓硒系列太阳能电池中的吸收层材料主要包括：铜铟镓硒（Cu(In,Ga)Se₂）、铜铟镓硫（Cu(In,Ga)S₂）、铜铟硒（CuInSe₂）、铜镓硒（CuGaSe₂）铜铟硫（CuInS₂）、铜镓硫（CuGaS₂）等薄膜。其中铜铟硫（CuInS₂，CIS）作为一种直接带隙半导体，其具有与太阳光谱较为匹配的带隙宽度（1.50eV），吸收系数（10⁵cm^-1）较大，原料便宜等优点，具有很好的产业化发展前景。目前基于磁控溅射制备CIS薄膜为吸收层，取得了超过12.5%效率的太阳能电池；进一步通过使用Ga部分替代CIS中的In已经取得了21.7%的太阳能电池转换效率； 基于CIS为吸收层，通过使用Al部分替代In获得了16.9%的电池转换效率。因此这种新型的无机薄膜太阳能电池有着巨大的应用前景和商机。

当前制备CIS太阳能电池吸收层材料的方法有很多，大致可分为真空法和非真空法两大类。其中真空法主要包括磁控溅射、热蒸发法等方法，这类方法所需设备比较昂贵，生产成本较高；而非真空法可分为电沉积、溶胶凝胶法、化学水浴沉积法及纳米颗粒法等，这类方法具有制备过程简单、制备成本廉价、易于大规模生产等多种优点，得到了更多关注和研究。其中化学水浴沉积法具有过程简单、成本低等特点，有利于实现大规模化生产。经对现有技术文献专利检索发现，吸收层CIS薄膜非真空法制备方面的专利有很多，例如利用硼氢化钠还原铜盐和铟盐制备Cu-In合金纳米颗粒，进而将其溶解在有机溶剂中制备成Cu-In合金墨水，涂覆在Si片，Mo片或者玻璃等衬底上制备成前驱体薄膜。而后，在含有H₂S/Ar混合气氛中烧结成为表面呈纳米棒阵列的CuInS₂薄膜（申请号201110362766.0）。整个实验过程周期长，涉及有机化学药品，步骤较多，操作难度大。因此本专利专注于此问题，采用操作简单、制备周期短，安全无毒的方法制备出前驱薄膜，再通过在硫气氛中热进行处理，获得均匀大面积、高质量的CIS薄膜。

发明内容

本发明的目的是提出一种低成本化学水浴制备化合物薄膜太阳能电池吸收层CuInS₂ （CIS）薄膜的方法。此方法先利用化学水浴沉积制备出In₂S₃/Cu₂O前驱体，并经过硫（S）气氛中热处理获得CIS薄膜的方法，该方法具有合成工艺简单、制备设备简单、可大面积均匀制备、成膜致密、薄膜成分以及厚度易控等优点，适用于大规模的工业生产。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

步骤一：对衬底表面进行清洗，利用化学水浴沉积法，将衬底浸泡于硫化铟（In₂S₃）沉积液中，沉积5-60min后得到硫化铟薄膜；

步骤二：利用化学水浴沉积法，将沉积有硫化铟薄膜的钼（Mo）衬底浸泡于氧化亚铜（Cu₂O）沉积液中继续沉积一层氧化亚铜（Cu₂O）薄膜，沉积5-60min后获得的In₂S₃/Cu₂O前驱体；

步骤三：将获得的In₂S₃/Cu₂O前驱体，置于硫（S）气氛下在密闭或者流通的管式炉内进行退火制得本发明所述的太阳能电池吸收层CIS薄膜。