[发明专利]一种铟铝镓中的至少一种掺杂硫化锌太阳能电池缓冲层薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种铟铝镓中的至少一种掺杂硫化锌太阳能电池缓冲层薄膜材料的制备方法。先将锌的金属盐，Ⅲ族元素铟铝镓中的至少一种的金属盐和酒石酸用蒸馏水溶解并搅拌均匀，再依次加入柠檬酸钠、硫脲和氯化镓，用氨水调溶液的pH值，再将洗净的玻璃基底垂直插入沉积溶液，在磁力搅拌下进行恒温水浴沉积后获得预制薄膜，然后在特定硫蒸气压硫化退火，成功制备出高质量的铟铝镓中的至少一种掺杂ZnS薄膜材料。本发明制备的铟铝镓中的至少一种掺杂ZnS薄膜的光学吸收边较纯相ZnS有明显的红移，禁带宽度减小，载流子浓度增加，薄膜质量好，表面平整，均匀致密，晶粒大小均匀，与基底的附着性好。制备方法简单，绿色环保，重复性高。

技术领域

本发明涉及光电薄膜材料，特别涉及Ⅲ族元素铟铝镓中的至少一种掺杂硫化锌太阳能电 池缓冲层薄膜材料的制备方法。

背景技术

近年来，能源短缺和环境污染这两大问题的日益严重促使了人们努力去开发新能源。其 中太阳能以其不受地理位置限制、取之不尽、用之不竭等特点成为理想的新能源之一。目前 对太阳能研究和利用最多的就是太阳能电池，故可通过加强对太阳能电池的研究、开发和利 用来解决能源短缺问题。现在，硅系太阳能电池应用广泛，但因其生产成本较高，制备工艺 复杂而难以大力推广。这就促使人们努力寻找一种廉价的太阳能电池材料来代替硅。其中薄 膜太阳能电池因其转化率高，成本低，性能稳定等优点成为研究的热点之一。而且目前实验 室已获得转化率为21.7％的铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池。

薄膜太阳能电池的结构从下往上依次是基板、Mo金属电极、吸收层、缓冲层、窗口层、 Al金属电极。缓冲层位于窗口层和吸收层之间，它具有高的光学透过率，并且具有保护结合 区和吸收层、避免旁路漏电、优化PN结能量结构、修饰吸收层表面、降低窗口层和吸收层间 的禁带不连续性等作用，从而提高电池的转化效率。目前CIGS太阳能电池用CdS作缓冲层， 但是CdS的禁带宽度只有2.4eV,限制了电池吸收层的短波响应，使CdS/CIGS太阳能电池的 量子效率在短波范围内下降。而且CdS中的Cd元素是有毒重金属，生产过程中含Cd废水的 排放，以及报废电池中Cd的流失，都会对环境造成污染。因此，无镉缓冲层的开发成为热点。 ZnS是Ⅱ～Ⅵ族宽禁带直接带系半导体化合物。化学水浴沉积法制备的立方相ZnS材料的带 隙(3.6～3.7eV)比用同样的方法制备的CdS(2.4eV)更宽，可以提高电池的蓝光响应和短 路电流密度，而且在可见光范围内有更高的透过率，它与窗口层ZnO材料类似，有利于P－ N结构的形成，对环境也无污染，使之成为理想的CdS的替代物。但是纯的ZnS也存在一些 不足，例如：其所能激发的光波范围有限、自身电阻高等。通过研究发现，掺杂改性可以提 高ZnS材料的综合性能。在各种掺杂元素中，+3价的In/Ga/Al替位+2价的Zn时会增加一个 自由电子，从而实现ZnS的n型掺杂，提高载流子浓度。在基于CIGS/ZnS异质结的太阳能 电池器件中可以拓宽耗尽层在CIGS中的宽度，增加界面流过的光生电子数，从而提高短路 电流。同时In/Ga/Al掺杂后能降低导带底，减小禁带宽度，有利于增加电子亲和势，减小 CIGS/ZnS界面导带带阶尖峰的高度，有利于界面处穿越的光生电子流。本发明采用设备简单， 成本低廉，低温下就能获得均匀致密的薄膜的化学水浴沉积方法制备Ⅲ族元素In/Ga/Al掺杂 硫化锌太阳能电池缓冲层薄膜材料。可以通过控制溶液浓度、搅拌速度、沉积时间、PH值、 沉积温度、沉积次数等工艺参数精确的控制薄膜的成分、厚度、晶体结构、表面形貌和光学 特性等。

发明内容