[发明专利]能抑制铜锌锡硫薄膜中MoS2

说明书

本发明公开了一种能抑制铜锌锡硫薄膜中MoS₂层的预制层结构及制备方法，包括依次连接的玻璃衬底、背电极、底层Cu‑Sn合金层、ZnS层、顶层Cu‑Sn合金层，其中，所述背电极为Mo薄膜，厚度为1μm；底层Cu‑Sn合金层为磁控溅射沉积的Cu‑Sn合金薄膜，厚度为140 nm；ZnS层为磁控溅射沉积的ZnS薄膜，厚度为250‑255 nm；顶层Cu‑Sn合金层为磁控溅射沉积的Cu‑Sn合金薄膜，厚度为280 nm。本发明采用了CuSn/ZnS/CuSn分层溅射制备铜锌锡硫预制层，使生成的Cu₆Sn₅中间相更加均匀；根据薄膜的生长机制：Cu₆Sn₅+S→Cu₂SnS₃，Cu₂SnS₃+ZnS→Cu₂ZnSnS₄，ZnS作为夹层使得Zn在生成的薄膜中分布更加均匀，可以有效控制S的扩散，最终可以抑制过厚的高阻MoS₂层的形成。

技术领域

本发明涉及太阳电池领域，具体涉及一种能抑制铜锌锡硫薄膜中MoS₂层的优化预制层结构及制备方法。

背景技术

当下，清洁能源代替传统化石能源已经成为全世界奋斗的目标，利用太阳能发电的光伏发电技术是一种极具发展潜力的清洁能源利用技术，近几十年太阳电池技术有了长足的发展。学术界和产业界对基于CuIn(S, Se)₂，CdTe，Cu(In,Ga)Se₄(CIGS) 等的太阳电池进行了广泛的研究，但是由于这些电池材料中含有稀有元素In和Ga以及有毒元素Cd和Se，这都限制了此类电池的大量应用。基于此，人们把视线转向无毒且资源丰富、廉价的Cu₂ZnSnS₄(CZTS)薄膜太阳电池。这种直接带隙p型半导体材料有着接近1.5eV适合的禁带宽带，大于10⁴ cm^-1的吸收系数，理论转换效率可达32%，非常适合制作薄膜太阳电池吸收层材料。

制备CZTS薄膜的方法有很多，比如磁控溅射法、溶胶凝胶法、原子层沉积法、电化学法等，其中磁控溅射法因可实现大面积、均匀沉积而被广泛采用。在溅射沉积CZTS薄膜过程中，选用合适的溅射靶材显得极其重要，其中有Cu/Zn/Sn、Cu/Sn/ZnS、CuS₂/SnS₂/ZnS等不同的组合。前两种使用的是Zn靶材，在退火过程会具有较大饱和蒸汽压的Zn元素流失较严重，第三种组合溅射的是Zn化合物，会导致元素扩散不完全。此外，决定太阳电池性能的参数有电流密度(J_SC)、开路电压（V_OC）、填充因子（FF）、串联电阻（R_S）和并联电阻（R_SH）。预制层退火后，在铜锌锡硫和钼电极界面处会生成MoS₂层，该MoS₂层会增加电池的串联电阻—R_S，导致电池器件的FF下降，从而导致电池的光电转换效率降低。Nam Dahyun等人（SolarEnergy Materials and Solar Cells, 149 (2016), 226-231.）报道了在MoS₂厚度由110nm增加到220 nm时，电池的FF和V_OC分别下降了24.8%和23.4%。因此降低二硫化钼层的厚度会有效提升太阳电池器件性能。

专利CN106549082A提出了一种采用CuSn合金靶和一个ZnS靶共溅射制备CZTS预制层的方法，该发明的主要目的是为了简化实验步骤，但是该技术无法阻止MoS₂层的生成，且专利中也没有关于MoS₂层厚度的记载。同时，该发明的技术方案还存在如下问题：根据上面提到的反应原理，Cu-Sn合金会首先与S发生反应，因此，较厚的Cu-Sn合金层会导致S向薄膜底层的扩散不足，使得底部反应不完全，产生二次相，二次相会使器件的串联电阻过大，大的串联电阻会阻碍载流子的传输，使电池器件的光电转换效率降低。