[发明专利]一种铜锌锡硫吸收层薄膜、制备及包含其的太阳电池

说明书

本发明涉及一种基于含氧预制层制备铜锌锡硫吸收薄膜(Cu₂ZnSnS₄，CZTS)的方法，包括以下步骤：(1)衬底的清洗；(2)将清洗好的衬底在真空中磁控溅射，沉积得到双层钼背电极薄膜；(3)以ZnO/SnO₂/Cu顺序在步骤(2)所述双层钼背电极薄膜基础上进行周期溅射得到含氧铜锌锡硫预制层薄膜；(4)将步骤(3)所述含氧铜锌锡硫预制层薄膜在氮气中热处理，然后与硫粉放入石墨舟，在硫化炉中加热，最后冷却制得铜锌锡硫吸收层薄膜。即本发明通过采用含氧铜锌锡硫预制层薄膜以及优化硫化工艺可以有效减少漏电通道和减低MoS₂的厚度，从而制备出符合高效率薄膜太阳电池要求的贫铜富锌的铜锌锡硫吸收层薄膜。同时本发明还提供了一种铜锌锡硫薄膜太阳电池及其制备方法。

技术领域

本发明属于光电材料新能源技术领域，具体涉及一种铜锌锡硫吸收层薄膜、制备及包含其的太阳电池。

背景技术

就薄膜太阳电池的发展前景而言，无毒、环境友好和原材料丰富的薄膜材料成为光伏领域的研究热点。第一代硅太阳电池以及第二代砷化镓(GaAs)、铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se₂，CIGS)和碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池由于有良好的转换效率和户外稳定性，其已成为制备太阳电池最有前景的材料。但由于第一代硅太阳电池的发展已经进入饱和期以及第二代太阳电池中的组成元素中As、Se和Cd有毒，而In、Ga和Te属于稀缺元素，增加了太阳电池的成本，与节能环保的理念产生了冲突。而对于新型四元化合物半导体Cu₂ZnSnS₄(CZTS)，它用Sn和Zn替代CIGS中的Ga和In，用S替代Se，组成的CZTS薄膜中的四种元素均为无毒，而且四种元素在自然界中的含量很丰富，Zn、Sn和S的价格远远低于Ga和Se等元素的价格。CZTS薄膜材料为p型直接带隙半导体和具有稳定的锌黄锡矿结构，其带隙约为1.5eV，与单结高效太阳电池所需的最佳禁带宽度相匹配，此外，CZTS薄膜材料具有较高的吸收系数(＞10⁴cm^-1)，其理论光电转换效率可达32.2％，成为最具潜力的新型薄膜太阳电池的选择。

目前制备CZTS薄膜的方法主要有磁控溅射法，热蒸发法，脉冲激光沉积，溶胶凝胶法，电化学法，喷雾热解法，旋涂法等。由于Sn的熔点较低，在制备CZTS吸收层薄膜的过程中，Sn易于在较低温度下便以SnS₂的形式损失，使得制备出的CZTS薄膜表面孔洞较多，结晶质量不好，形成漏电通道，导致电池转换效率不高；由于金属氧化物的稳定性较高，SnO₂在较低温度下稳定性较高，其分解温度较高，在低温下不易与S发生反应从而抑制了Sn元素的损失，使得制备出的CZTS吸收层薄膜较为致密。2014年中国科技大学采用氧化物纳米粒子的方法制备出1.47％的纯CZTS薄膜太阳电池，但是基于CZTS吸收层薄膜的太阳电池效率距离32.2％的理论效率还有很大的差距。

发明内容

有鉴于此，本发明通过采用含氧预制层以及优化硫化工艺可以有效减少漏电通道和减低MoS₂的厚度，从而制备出符合高效率薄膜太阳电池要求的贫铜富锌的铜锌锡硫吸收层薄膜。同时本发明还提供了一种铜锌锡硫薄膜太阳电池及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于含氧预制层制备铜锌锡硫吸收层薄膜的方法，具体制备步骤为：

(1)衬底清洗：先将钠钙玻璃依次用去污粉、洗衣粉、去离子水清洗，再用丙酮、无水乙醇超声清洗，然后将钠钙玻璃依次置于一、二号溶液中分别煮沸10min，最后用去离子水清洗，并用氮气吹干备用；

其中所述一号溶液按照浓盐酸、过氧化氢和水的体积比为1:2:5配制而成，所述二号溶液按照氨水、过氧化氢和水的体积比为1:2:8配制而成；

(2)双层钼背电极薄膜的制备：将步骤(1)处理的钠钙玻璃放入磁控溅射系统里抽真空后，在钠钙玻璃上沉积出双层钼背电极薄膜；