[发明专利]一种分层电沉积后硒化退火制备铜铟铝硒太阳能电池薄膜材料的方法

说明书

本发明公开了一种分层电沉积后硒化退火制备铜铟铝硒太阳能电池薄膜材料的方法。为克服水溶液中电沉积铝导致的析氢现象，本发明先采用熔融盐电沉积法沉积铝薄膜，然后将铜金属盐溶解于去离子水，在镀铝的薄膜上电沉积铜，再将铟金属盐溶解于去离子水，在镀铝/铜的薄膜上电沉积铟，再将前驱体薄膜硒化退火获得铜铟铝硒薄膜。通过分层控制各层薄膜的沉积电流密度和时间实现了对薄膜成分、晶体结构、形貌等的可控制备。与一步水溶液中电沉积方法比较，本发明所制备的薄膜纯度高，没有Cu_xSe_y或In_xSe_y二元相，与高真空法相比，本发明可控性强，制备工艺简单，原材料利用率高，成本低廉，可重复性好，易于实现大面积、高质量薄膜的制备。

技术领域

本发明属于光电材料新能源领域，涉及一种薄膜太阳能电池光电转换材料的分层电沉积后硒化退火制备方法，具体涉及了一种熔融盐电沉积铝后，在水溶液中分别电沉积单质铜和单质铟薄膜，后硒化退火形成铜铟铝硒薄膜的方法。

背景技术

面临严峻的能源形势和生态环境的恶化，改变现有能源结构、发展可再生的绿色能源已成为世界各国极为关注的课题。太阳能因具有最清洁环保、取之不尽、用之不竭、安全稳定等特点而备受瞩目。黄铜矿系列Cu(In,Ga,Al)(S,Se)₂(CIGASS)材料自20世纪70年代出现以来，得到非常迅速的发展，目前已经成为国际光伏界的研究热点。CIGAS为直接带隙材料，且光吸收系数较大，达到10⁵cm^-1，光电转换理论效率达到25％～30％。只需1～2um厚的薄膜就可以吸收99％以上的太阳光，从而可以大大降低太阳电池的成本。其中CuInSe₂(CIS)薄膜禁带宽度为1.04eV，而太阳电池材料的最佳带隙应约为1.45eV。为了优化吸收太阳光谱，人们通过掺杂适量的Ga以替代部分In，成为CuIn_1-xGa_xSe₂(CIGS)薄膜材料，薄膜的禁带宽度可以在1.04eV-1.67eV范围内调整。2015年德国氢能和可再生能源研究中心(ZSW)采用共蒸发工艺研制的小面积CIGS太阳电池的转换效率为21.7％(Phys.Status SolidiRRL,2015,9(1)28-31)，是当前薄膜电池的最高记录。CIGS类薄膜太阳能电池具有光电转换效率高、抗辐射能力强，且不存在光致衰退问题等优点，是当今太阳能电池发展的一个重要方向。但大量稀有贵金属In，Ga的使用，使这类电池的发展在某种程度上受到限制。用Al来替代稀有金属Ga可以形成CuIn_1-xAl_xSe₂(CIAS)化合物半导体材料。通过改变Al/(Al+In)比值，其禁带宽度在1.0-2.6eV之间可调。与CIGS相比，Al替代Ga不仅可以使太阳能电池的禁带宽度覆盖更宽的范围。而且由于Al的价格比较低廉，还可以大大降低成本。而且因为它需要比Ga合金更小的相对合金浓度来实现相同带隙的调节。对于相同带隙的薄膜，掺杂Al比掺杂Ga对基体材料的晶格常数的改变更小。因此CIAS被考虑作为基于宽带隙CIGS太阳能电池的替代品，制备CIAS薄膜材料和电池，除有利于资源利用、节约成本以外，还能提高带隙，改善薄膜的结晶状态，增加材料的电导率，显示出诱人的应用前景。