專利名稱：一種銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，尤指一種銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池 吸收層的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著地球上有限的石油和煤炭等不可再生資源的逐漸耗盡，可再生能源 的利用與開(kāi)發(fā)顯得越來(lái)越緊迫，其中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將取之不盡的輻射到地面上的太陽(yáng) 能通過(guò)太陽(yáng)電池等光伏器件的光電轉(zhuǎn)換而源源不斷地轉(zhuǎn)變成為電能，已經(jīng)成為可再生能源 中最安全、最環(huán)保和最具潛力的競(jìng)爭(zhēng)者。目前制約太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸在于成 本較高和轉(zhuǎn)換效率偏低，從材料選擇和制造成本來(lái)看，薄膜太陽(yáng)電池是唯一的選擇。精選電 池材料并優(yōu)化組件設(shè)計(jì)與制作工藝，轉(zhuǎn)換效率有望得到提升；而提高生產(chǎn)效率擴(kuò)大產(chǎn)能，成 本也會(huì)隨之得到降低。四元化合物半導(dǎo)體銅鋅錫硫由于具有與太陽(yáng)光譜非常匹配的直接帶隙 (1. 4-1. 5eV)，和對(duì)可見(jiàn)光的高吸收系數(shù)(IO4Cm-I)而成為最具潛力的新型薄膜太陽(yáng)電池吸 收層材料。銅鋅錫硫中鋅和錫在地殼中的豐度分別為75和2. 2ppm,資源豐富且因不含毒 性成分而對(duì)環(huán)境友好。1967年，Nitsche和Sargent利用氣相輸運(yùn)法成功制備出單晶銅鋅 錫硫，得到的銅鋅錫硫晶體具有類似于銅鋅錫硫的黝錫礦結(jié)構(gòu)；銅鋅錫硫的類黝錫礦結(jié)構(gòu) 可看作是由鋅和錫原子分別取代具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的硫化銦銅中一半的銦原子而構(gòu)成；1988 年，I to和Nakazawa用原子束濺射技術(shù)首次成功制備了銅鋅錫硫薄膜，并報(bào)道了 CZTS/CT0 異質(zhì)結(jié)二極管的開(kāi)路電壓為165mv ；1997年，F(xiàn)riedlmeier報(bào)道由真空蒸鍍金屬單質(zhì)和二 元硫化物的方法制備的銅鋅錫硫薄膜與硫化鎘/氧化鋅構(gòu)成的氧化鋅/硫化鎘/銅鋅錫 硫異質(zhì)結(jié)，具有570mv的開(kāi)路電壓和2. 3%的轉(zhuǎn)換效率；2003年，Katagiri的研究小組在 soda-lime玻璃襯底上采用氧化鋅鋁/硫化鎘/銅鋅錫硫/鉬的電池結(jié)構(gòu)，得到5. 45%的 轉(zhuǎn)換效率。銅鋅錫硫薄膜為多元化合物，其光電性能對(duì)原子配比及晶格匹配不當(dāng)而產(chǎn)生的 結(jié)構(gòu)缺陷十分敏感，致使以銅鋅錫硫?yàn)槲諏拥谋∧ぬ?yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于銅銦硒 19. 2%的轉(zhuǎn)換效率。顯然，發(fā)展和完善高質(zhì)量、高均勻度銅鋅錫硫薄膜的制備技術(shù)，在深入 研究其結(jié)構(gòu)特性與光電學(xué)性能的基礎(chǔ)上，掌握影響光電性能的關(guān)鍵因素及作用機(jī)制，進(jìn)而 探索提升銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的有效途徑，成為當(dāng)前該領(lǐng)域面臨的重大課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種低成本、高質(zhì)量的 一種銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的制備方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是先利用真空共同蒸發(fā)法制備銅、鋅和錫的合金薄膜前驅(qū)體，再將所述的前驅(qū)體在 氮?dú)獗Ｗo(hù)下的硫蒸氣中進(jìn)行硫化。該銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的制備方法，采用真空共同蒸鍍金屬前驅(qū)體后進(jìn)行硫化，在玻璃襯底上制備適合作為薄膜太陽(yáng)電池吸收層的多晶銅鋅錫硫薄膜；蒸發(fā)源選擇純度為99. 99%及以上的高純鋅、銅和錫，通過(guò)控制蒸發(fā)源中金屬的質(zhì)量比，調(diào)節(jié)前驅(qū) 體組成成分的化學(xué)配比。金屬鋅、錫和銅放在同一個(gè)鉬舟中，三種金屬為顆粒、片狀和粉體的一種。通過(guò)調(diào) 節(jié)蒸發(fā)溫度和時(shí)間使蒸發(fā)源完全蒸發(fā)，控制前驅(qū)體中各種金屬成分的含量，以此簡(jiǎn)化前驅(qū) 體制備工藝。前驅(qū)體薄膜的硫化是在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，使用硫蒸氣，而不是劇毒硫化氫氣體，設(shè)定適 當(dāng)?shù)纳禍厮俾视?50 550°C的硫化溫度下進(jìn)行。本發(fā)明的銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的制備方法，由于硫化中使用硫蒸汽而 不是劇毒的硫化氫氣體，因而提高了安全性，不僅可確保生產(chǎn)效率的提高和避免毒性材料 的排放，能從根本上解決成本與環(huán)境污染問(wèn)題，使銅鋅錫硫基薄膜太陽(yáng)電池的真正規(guī)?；?工業(yè)生產(chǎn)成為可能。
具體實(shí)施例方式結(jié)合實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，具體制備工藝如下金屬前軀體沉積1.襯底選用普通玻璃，經(jīng)有機(jī)溶劑浸泡、超聲波清洗，烘干。2.普通真空鍍膜機(jī)上進(jìn)行前軀體的蒸發(fā)，襯底不加熱。系統(tǒng)真空度高于 2X IO-3Pa ；蒸發(fā)溫度由電流源控制。3.鉬舟中放入金屬鋅、錫和銅，調(diào)節(jié)蒸發(fā)電流和時(shí)間使蒸發(fā)源全部蒸發(fā)。蒸發(fā)源與 襯底的距離為25-35cm，為了增加薄膜的均勻性襯底可以勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。前驅(qū)體硫化1.硫化過(guò)程在真空高溫管式爐中進(jìn)行，石英舟中放入適量的固態(tài)單質(zhì)硫，沉積有 前驅(qū)體的襯底置于其上并放入爐的中心處，流量為30sCCm的氮?dú)馔ㄈ胝婵諣t。2.以5°C /min的升溫速率升至500°C，在該溫度下使前驅(qū)體在硫蒸氣與氮?dú)獾幕?合氣流中保持3h進(jìn)行硫化。3.自然冷卻至室溫，銅鋅錫硫制備完成。制備的樣品利用X射線衍射儀進(jìn)行XRD測(cè)試，化學(xué)組成成分由能量散射X-射線譜 分析，光吸收特性由紫外-可見(jiàn)光(UV-VIS)分光光度計(jì)測(cè)量，電學(xué)性質(zhì)由Hall效應(yīng)測(cè)試儀測(cè)量。結(jié)果表明薄膜的化學(xué)配比越接近銅鋅錫硫的化學(xué)計(jì)量比，其結(jié)晶質(zhì)量越好，具有 單一相類黝錫礦結(jié)構(gòu)。電阻率、載流子遷移率和載流子濃度分別為1. 46 Ω cm,4. 2cm2/V · S 和2. 37X1018cm-3。光學(xué)帶寬約為1. 51eV。
權(quán)利要求
一種銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的制備方法，其特征在于采用真空共同蒸鍍金屬前驅(qū)體后進(jìn)行硫化，在玻璃襯底上制備適合作為薄膜太陽(yáng)電池吸收層的多晶銅鋅錫硫薄膜；蒸發(fā)源選擇純度為99.99％及以上的高純鋅、銅和錫，通過(guò)控制蒸發(fā)源中金屬的質(zhì)量比，調(diào)節(jié)前驅(qū)體組成成分的化學(xué)配比。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的制備方法，其特征在于金屬 銅、鋅和錫放在同一個(gè)鉬舟中，三種金屬為顆粒、片狀和粉體的一種，通過(guò)調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度和 時(shí)間使蒸發(fā)源完全蒸發(fā)，控制前驅(qū)體中各種金屬成分的含量。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的制備方法，其特征在于前驅(qū)體薄膜的硫化是在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，使用硫蒸氣，設(shè)定適當(dāng)?shù)纳禍厮俾视?50 550°C的硫化 溫度下進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的制備方法，屬于半導(dǎo)體光電材料與器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用共同蒸發(fā)法制備銅、鋅和錫的金屬前驅(qū)體，再將前驅(qū)體在硫蒸氣中進(jìn)行硫化得到銅鋅錫硫，在合適的條件下在玻璃襯底上成功制備了多晶銅鋅錫硫薄膜，薄膜具有單一相類黝錫礦結(jié)構(gòu)、具有與太陽(yáng)光譜非常匹配的直接帶隙(1.51eV)和對(duì)可見(jiàn)光的高吸收系數(shù)(104cm-1)，薄膜的電阻率、載流子遷移率和載流子濃度分別達(dá)到1.46Ωcm、4.2cm2/V·S和2.37×1018cm-3。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于原材料來(lái)源豐富且無(wú)毒性、制備工藝簡(jiǎn)單、薄膜性能易控制和適合于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)等。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101800263SQ20091021406
公開(kāi)日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者張軍, 李棟宇, 李達(dá), 邵樂(lè)喜 申請(qǐng)人:湛江師范學(xué)院