[发明专利]一种铜锌锡硫薄膜太阳能电池光吸收层及其制备方法、铜锌锡硫薄膜太阳能电池

说明书

本发明涉及一种铜锌锡硫薄膜太阳能电池光吸收层及其制备方法、铜锌锡硫薄膜太阳能电池，属于薄膜太阳能电池技术领域。本发明的铜锌锡硫薄膜太阳能电池光吸收层的制备方法，包括以下步骤：将铜锌锡硫前驱体复合薄膜进行退火处理；所述铜锌锡硫前驱体复合薄膜包括铜锌锡硫前驱体层和硒化锑层，所述铜锌锡硫前驱体层主要由铜源、锌源、锡源和硫源组成。由于硒化锑层的存在，铜锌锡硫前驱体层在退火处理中可以产生尺寸较大的晶粒，并且硒化锑层不会使铜锌锡硫前驱体层在退火处理中产生二次相。

技术领域

本发明涉及一种铜锌锡硫薄膜太阳能电池光吸收层及其制备方法、铜锌锡硫薄膜太阳能电池，属于薄膜太阳能电池技术领域。

背景技术

随着世界人口的逐渐增多，人类对于能源的需求越来越大，但目前所探测到的石化能源的储量是有限的，不足以支撑人类长久的发展，同时，石油、煤炭、天然气等石化能源在使用过程中会产生有害气体以及废渣废液，造成环境污染。因此，世界各国都在大力发展清洁能源。经过多年的发展，人们对风能、太阳能、生物能、潮汐能、地热能等清洁能源的研究和利用取得了显著的进步，相对而言，太阳能因具有分布广泛、环境友好、无污染、不受地域限制等优势，成为研究和发展的重点。

太阳能电池具有稳定性好、结构简单、操作与维护方便、使用寿命长等优点，已成为太阳能利用的重要形式。目前发展比较好的太阳能电池有晶体硅太阳能电池和多元化合物薄膜太阳能电池两大类。晶体硅太阳能电池是开发最早、应用最广泛的太阳能电池，然而硅属于间接带隙半导体，吸光能力较差，需要较厚的吸收层来吸光，导致制备成本较高，器件体积较大；多元化合物薄膜太阳能电池的吸收层吸光能力强，电池厚度薄，可制成柔性电池，进而可用于可穿戴设备和弯曲表面，具有更好的发展前景。

薄膜太阳能电池主要包括有机化合物太阳能电池和无机化合物太阳能电池，有机化合物电池主要包括钙钛矿太阳能电池和染料敏化太阳能电池；无机化合物太阳能电池主要包括砷化镓太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、碲化镉太阳能电池、铜锌锡硫太阳能电池。其中，铜锌锡硫太阳能电池具有原材料含量丰富、性能稳定、带隙可以调整、环境友好等因素，具有非常好的发展前景和应用潜力。

铜锌锡硫薄膜太阳能电池的主要结构是：衬底(钠钙玻璃)/金属背电极(Mo)/光吸收层(CZTS)/缓冲层(CdS)/窗口层(ZnO)/透明前电极层(AZO)/金属栅电极(Al)。其中，背电极、窗口层、透明前电极层通常采用磁控溅射法制备，吸收层通常采用溶胶凝胶法制备，缓冲层通常采用化学水浴法制备，顶电极通常采用真空蒸镀法制备。光吸收层CZTS是整个薄膜太阳能电池的核心部分，它是吸收光子、产生载流子的主要区域，同样也是pn结的重要组成部分。光吸收层的制备方法主要包括以下三种：溅射法、蒸发法、溶液法(溶胶凝胶法)。溅射法是在直流或交流电压下，氩离子被加速并在磁场的作用下轰击靶材，靶材表面被轰击出的原子沉积在基片上形成薄膜。目前采用溅射法制备吸收层组成器件的最高转换效率是12.3％，由韩国DGIST研究中心在2016年创造。蒸发法是利用真空环境，将原材料升温加热，然后将蒸发出来的原子或分子附着到衬底上，最后进行硫化或硒化处理。IBM公司利用蒸发法制备的CZTSe太阳能电池的转换效率为11.6％。蒸发法制备的吸收层晶粒大且缺陷少，但开路电压不理想，并且制备过程中对真空条件要求严苛，不利于大规模生产。溶液法是将前驱体溶液经过旋涂成膜，并经高温退火获得吸收层薄膜，具有操作简单、成本低廉、容易调控的优点。通过溶液法制备的CZTS基薄膜太阳能电池的转换效率可以高达12.6％。

但是，通过溶液法制备光吸收层时，在退火过程中，吸收层中容易产生多种影响电池性能的二次相，因此需要通过调控各元素的配比以及退火温度等实验参数来抑制吸收层的分解，进而提高吸收层中的晶粒尺寸，减少吸收层中的二次相以及空洞与缺陷。虽然通过调控实验参数可以在一定程度上抑制吸收层的分解，但是晶粒生长驱动力小，适合获得大晶粒的制备工艺窗口窄，目前通过溶液法制备光吸收层时，依然存在制备的光吸收层中晶粒尺寸小的问题，进而限制了通过溶液法制备的CZTS基薄膜太阳能电池的转换效率的进一步提高。

发明内容