[发明专利]IIIA族元素掺杂CdS的CZTS太阳电池制备方法

说明书

本发明公开一种采用IIIA族元素掺杂硫化镉薄膜的CZTS薄膜太阳电池制备方法，其包括：清洗基底；在清洗后的基底上沉积金属钼作为背电极；在背电极上沉积CZTS前驱体薄膜；将CZTS前驱体薄膜退火处理后，得到CZTS吸收层薄膜；在CZTS吸收层薄膜上沉积CdS薄膜，并采用离子注入法向CdS薄膜中掺入IIIA族元素；将沉积有掺杂CdS的样品退火处理后，在掺杂CdS上沉积窗口层；在窗口层上制备顶电极，获得CZTS薄膜太阳电池。通过掺杂IIIA族元素可以提高CdS的光电性能，还可以拓宽耗尽区宽度，确保高的长波收集效率和光电转换效率。采用离子注入法可以精准控制注入离子的浓度和深度分布，且注入层不会剥落。

技术领域

本发明涉及电池薄膜制造技术领域，尤其涉及一种采用IIIA族元素掺杂硫化镉薄膜的CZTS薄膜太阳电池制备方法。

背景技术

随着工业化进程的不断加快，能源危机与环境恶化是当今世界发展的两大难题。目前人类生产和生活所用能源以传统能源(石油、煤炭、天然气等)为主，但是由于自身特性和过度开采，传统能源逐渐枯竭，日后将无法满足人类的发展需求。因此，开发可再生能源成为我们亟待解决的问题。从本质上分析，传统化石燃料是以化学能形式储存起来的太阳能，风能、水能、海洋温差能等是以机械能或热能形式储存起来的太阳能，它们归根结底都来源于太阳能。太阳能的利用主要有光热发电、光化利用、光生物利用和光伏发电，其中光伏发电是主要利用方式。光伏发电的核心是太阳电池，铜锌锡硫(CZTS)太阳电池近年来受到越来越多的关注。铜锌锡硫薄膜太阳电池具有以下优势：(1)光电转化效率优势。由于CZTS材料具有很高的光吸收系数(α>10⁴-10⁵㎝^-1)，使得光吸收层厚度1-2微米即可吸收99％以上的太阳光。(2)成本优势。首先，由于铜锌锡硫吸收层厚度薄，大大减少了太阳电池生产用料。其次，由于商业化的CZTS薄膜太阳电池采用溅射工艺制备，原料损耗量少，利用率高，利于降低生产成本。然后，由于从底电极到顶电极整体组件工艺可以在一套生产线上完成，大大降低了生产能耗，提高了生产效率。(3)太阳能建筑一体化BIPV(Building-integrated photovoltaics)等柔性太阳电池方向的应用优势。BIPV是未来城市利用光伏发电的重要方向，既解决了玻璃幕墙光污染的问题，又满足了光伏发电节能的基本需求。薄膜太阳电池既可以用于建筑屋顶，又可以用于建筑外立面：弯曲的建筑屋顶可以采用以聚合物或不锈钢为衬底的薄膜太阳电池，同时满足了造型设计和光伏发电的需求；现代化的玻璃幕墙可以采用双层玻璃封装刚性的薄膜太阳能电池组件，根据不需要制作成不同的透光率。

CZTS太阳电池中的缓冲层材料主要采用的是传统CIGS太阳电池中的硫化镉CdS，CdS的禁带宽度在2.42eV左右，缓解了吸收层和缓冲层之间晶格失配和带隙失配的问题，而且在制备ZnO窗口层时一般采用磁控溅射，CdS起到了保护吸收层不被溅射ZnO破坏的缓冲效果，避免了吸收层和窗口层漏电现象的发生。另外，由于Cd离子半径是CZTS中的Cu离子半径与Zn离子半径接近，研究人员发现CdS与CZTS接触后Cd扩散进入CZTS吸收层后，容易形成N型Cd_Cu和中性的Cd_Zn，减少了Cu_Zn反位缺陷。因此，硫化镉是简单二元化合物材料中最理想的缓冲层材料。虽然CdS材料具有良好的光电性能，但是纯净的CdS材料本身存在一些不足，使得由此制成的器件在光电转化性能方面存在问题。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题。

为此，本发明的目的在于提出一种采用IIIA族元素掺杂硫化镉薄膜的CZTS薄膜太阳电池制备方法。

为了实现上述目的，本发明提出的采用IIIA族元素掺杂硫化镉薄膜的CZTS薄膜太阳电池制备方法，包括以下步骤：