[发明专利]一种基于磁控溅射法的CZTS叠合吸收层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于磁控溅射法的CZTS叠合吸收层及其制备方法，属于光伏材料与器件新能源技术领域。本发明的CZTS叠合吸收层采用磁控溅射法制备而得，由下而上依次为衬底，掺Fe的Cu₂ZnSnS₄吸收层，未掺杂的Cu₂ZnSnS₄吸收层，掺Ge的Cu₂ZnSnS₄吸收层。本发明以CZTS材料为基体，采用磁控溅射法，通过不同元素的替位掺杂实现对不同带隙变化的控制，可以选择性的吸收和转换太阳光谱的不通区域，实现对太阳光的高效利用。

技术领域

本发明涉及一种基于磁控溅射法的CZTS叠合吸收层及其制备方法，属于光伏材料与器件新能源技术领域。

背景技术

Cu₂ZnSnS₄（CZTS）因其组分环保无毒、含量丰富，且为直接带隙半导体材料，有着较高的光吸收系数和合适的禁带宽度，已成为薄膜太阳能电池潜在的吸收层材料之一，其理论光电转换效率为32.3%，但目前实验室获得的最高效率仅为12.6%。研究发现，不同带隙材料的叠合，会提高光电转换效率（PCE）。

目前以CZTS作为太阳能薄膜电池吸收层材料的方法有真空热蒸发法、脉冲激光沉积法、电化学沉积法、溅射法、旋涂法、喷涂法等。当采用单一的符合标准化学计量比的四元CZTS靶材溅射时，根据Sigmund的溅射理论所表述的溅射产额公式可知，溅射产额不仅与入射离子和靶材原子的质量、原子的序数有关，还受到靶材原子表面结合能影响。此外，当处于低温衬底加热溅射时，由于靶材组成元素、相关元素硫化物饱和蒸汽压、化学势的不同，以及衬底加热所造成部分沉积元素的散失都会使沉积的CZTS薄膜偏离标准的化学计量比，从而影响薄膜质量，限制了电池的效率。文献Applied Surface Science 2013, 280(22):138-143.采用溅射和Hot-Wire CVD法制备的CZTS/i-a-Si/n-a-Si形式组合的太阳能电池，相较于CZTS/n-a-Si形式的p-n型结构太阳能电池，此p-i-n型结构的电池PCE提高效果非常显著，但受晶格匹配度及相应的界面缺陷的影响,其转换效率仍受到一定的限制。CN105256274A公布了一种衬底加热共溅射法制备铜锌锡硫薄膜的方法。其采用射频共溅射的方法，使用CZTS靶、Zn靶、Cu靶在加热衬底上沉积三层贫铜富锌 / 理想配比 / 贫铜富锌的铜锌锡硫预置层薄膜，然后将预置层薄膜在硫气氛中以特定的退火处理工艺得到铜锌锡硫吸收层。虽然这种薄膜结构在一定程度上克服了薄膜中元素标准化学计量比和纵向分布问题，但受薄膜厚度及本征CZTS薄膜带隙范围的影响，对于太阳光的吸收利用率仍然存在一定的局限性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于磁控溅射法的CZTS叠合吸收层及其制备方法，以太阳能电池材料按照能隙从大到小的顺序从外向里叠合，选择性的吸收和转换太阳光谱的不通区域，波长较短的光被最外层宽带隙材料吸收，波长较长的光能透射进去，使窄带隙材料发挥作用，从而达到提高电池转换效率的目的；在CZTS材料中分别掺入Fe、Ge元素时，随掺入元素含量变化，薄膜的带隙也会发生相应改变。掺Fe的薄膜带隙一般小于纯相CZTS薄膜带隙，而掺Ge的薄膜带隙一般大于纯相CZTS薄膜带隙。通过调节控制Fe和Ge元素在基体中的掺比，使不同吸收层间的导带带隙处于一个合适的范围内，从而减小光生电子所受高的势垒阻碍。

本发明以CZTS材料为基体，采用磁控溅射，通过不同元素的替位掺杂实现对不同带隙变化的控制，并形成叠合吸收层，在提高效率的同时，利用不同层均同是以CZTS为基体材料的优势来获得较小的失配以克服异质材料间晶格失配的问题。

本发明提供一种基于磁控溅射法的CZTS叠合吸收层，该CZTS叠合吸收层采用磁控溅射法制备而得，由下而上依次为衬底，掺Fe的Cu₂ZnSnS₄吸收层，未掺杂的Cu₂ZnSnS₄吸收层，掺Ge的Cu₂ZnSnS₄吸收层；