專利名稱：一種制備錫硫化合物疊層太陽能電池的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于薄膜太陽能電池技術領域，更具體地，涉及一種制備錫硫化合物疊層太陽能電池的方法。
背景技術：
太陽能是一種清潔的可再生能源，以光伏效應為基礎的太陽能電池越來越受到重視。太陽能電池發(fā)展共經(jīng)歷三個階段。第一階段的以單晶硅為主，雖然轉化效率較高，但生產(chǎn)成本較高。第二代太陽能電池為薄膜太陽能電池，其轉化效率雖不高，但生產(chǎn)成本得到了有效降低。但單一材料制備的單結太陽電池的效率的提高受到限制，這是因為材料的禁帶寬度是固定值，而太陽光譜的能量范圍很寬(0. 4 4eV)，因此太陽光譜中能量小于禁帶寬度的光子不能被太陽電池吸收，能量遠大于禁帶寬度的光子雖被吸收，但激發(fā)出的高能光 生載流子很快弛豫到能帶邊，將能量大于禁帶寬度的部分傳遞給晶格，變成熱能消耗掉。解決這一問題最有效的辦法即尋找能充分吸收太陽光譜的太陽電池結構，其中最有效的方法即為采用疊層電池。疊層電池的原理是將具有不同禁帶寬度的材料作為多個子太陽電池，然后將他們按禁帶寬度大小從寬至窄順序疊加起來，組成一串接多節(jié)太陽電池。每個帶隙吸收與其帶隙寬度相匹配的波段的光子，轉換效率為各節(jié)電池轉換效率的總和。因此疊層太陽電池比單節(jié)電池更充分的吸收和轉換太陽光，從而提高太陽電池的轉換效率。疊層電池屬于第三代太陽能電池，而且已經(jīng)成為第三代太陽能電池的重要發(fā)展方向。目前，在疊層太陽電池的制備中存在兩個重要的問題，即原料的選擇和制備方法。目前的制備中采用的原料多為鎵、銫、鎘、銦等元素，而這些元素均較為稀有，提高了生產(chǎn)成本。另外有些元素對環(huán)境保護存在一定的危害。因此，原料豐富且無毒，易于薄膜化，轉化效率高成為第三代太陽電池必備的條件。在制備方法方面，傳統(tǒng)的p-n/p-i-n結的制備，需要引入復雜的摻雜工藝，增加了制作成本，也延長了制作周期。一些溶液法雖制備工藝簡單，但薄膜的制備則需要較長的制備時間。因此，一種能滿足高沉積速率、大面積、低成本的疊層太陽能電池的制備方法成為亟待解決的問題。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種制備錫硫化合物疊層太陽能電池的方法，其能夠滿足原料豐富，低廉及環(huán)境友好的要求，而且制備工藝簡單，能滿足大面積、高速度沉積的要求，且該方法的可控性強。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種制備錫硫化合物疊層太陽能電池的方法，包括以下步驟(I)清洗沉積有透明導電膜的基片；(2)將清洗后的基片置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體內的基片加熱裝置上；(3)將含錫和硫的原料置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體內的原料蒸發(fā)裝置中(4)通入氬氣，以產(chǎn)生氬氣等離子體,通入氬氣流量為20 70sccm ；(5)利用氬氣等離子體對清洗后的基片和等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體處理10 20分鐘，氬氣等離子體的功率為10 50W，處理時的壓強為30 IOOPa ；(6)打開基片加熱裝置，對基片進行加熱，加熱溫度為200 350°C ；(7)打開原料蒸發(fā)裝置，進行第一階段沉積，即利用等離子體化學氣相沉積的方法在清洗后的基片表面制備n型錫硫薄膜，并向等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中通入氬氣和氫氣，其中氬氣流量為20 70sccm，氫氣流量為5 50sccm，等離子體功率為60 250W，壓強100 150Pa，原料蒸發(fā)溫度150°C 1000°C，沉積時間20 120分鐘；(8)第一階段沉積結束后，關閉氫氣，進行第二階段沉積，即利用等離子體化學氣相沉積的方法在清洗后的基片表面制備P型錫硫薄膜，并向等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中通入IS氣，其中IS氣流量20 70sccm,等尚子體功率為60 250W,等尚子體壓強100 150Pa，沉積時間20 120分鐘；(9)第二階段沉積結束后，重復步驟(7)和步驟(8)1 3次，以制備出多組p-n結；(10)停止通入氬氣；(11)在等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體中對制備出的多組p-n結進行真空退火，并在氬氣環(huán)境中冷卻至室溫，其中退火溫度300 450°C，退火時間30 120分鐘；(12)利用磁控濺射法在制備好的多組p-n結表面沉積厚度為100 300nm的銀膜，從而最終制備出疊層太陽能電池。含錫和硫的原料包括單質錫、單質硫、含錫和硫兀素的化合物或者納米硫化亞錫粉末。透明導電膜是由ITO、AZO或FTO材料制成。的原料蒸發(fā)裝置的數(shù)量為I個或多個，并且原料蒸發(fā)裝置上設有擋板，用于控制原料蒸發(fā)時間和速率。等離子體化學氣相沉積方法中等離子體可以是微波等離子體、射頻等離子體或中頻等離子體。。通過本發(fā)明所構思的以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下的有益效果I、原料的選擇簡單錫硫化合物屬于IV-VI族半導體材料，其包含多種化合物形式，硫化亞錫是其中一種重要的半導體，其無毒環(huán)保，原料豐富，且其光學直接帶隙為
I.3eV，接近太陽能電池材料的最佳禁帶寬度I. 5eV,同時具有較高的光吸收系數(shù)，理論能量轉換效率可達到25% ;同時，錫和硫元素配比的不同，薄膜可由p型到n型的轉變。因此具有廣闊的應用前景；2、制備方法簡單等離子體化學氣相沉積方法簡單，避免了復雜工藝以及雜質的引入。而且該方法可以在同一設備中完成，降低了生產(chǎn)成本，由于薄膜在沉積的過程中一直處于真空設備中，避免外界因素對薄膜電池的影響；同時，在制備過程中，還可以直接對錫硫薄膜進行摻雜鋁、銅、氯等，從而提高薄膜的電導率，降低薄膜電池的串聯(lián)電阻，增加太陽電池光生載流子的有效抽出，提高太陽電池的填充因子；
3、p_n結制備簡單通入氫氣調節(jié)腔體內錫和硫元素配比的技術，使薄膜由P型到n型的轉變。該方法利用錫硫薄膜材料自身的特性，利用氫氣與腔體中硫元素的反應得到硫化氫并通過真空系統(tǒng)從腔體中抽出，進而改變腔體中兩種元素的配比，從而可以根據(jù)需要直接制備出疊層太陽電池。該方法簡單、易控制，而且通過該方法，可縮短制備周期，降低生產(chǎn)成本。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技 術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明制備錫硫化合物疊層太陽能電池的方法包括以下步驟(I)清洗沉積有透明導電膜的基片；在本實施方式中，透明導電膜是由IT0、AZ0或FTO材料制成；(2)將清洗后的基片置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體內的基片加熱裝置上；(3)將含錫和硫的原料置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體內的原料蒸發(fā)裝置中；在本實施方式中，含錫和硫的原料包括單質錫、單質硫、含錫和硫元素的化合物或者納米硫化亞錫粉末；(4)通入氬氣，以產(chǎn)生氬氣等離子體，通入氬氣流量為20 70SCCm ；(5)利用氬氣等離子體對清洗后的基片和等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體處理10 20分鐘，氬氣等離子體的功率為10 50W，處理時的壓強為30 IOOPa ;原料蒸發(fā)裝置的數(shù)量為I個或多個，并且原料蒸發(fā)裝置上設有擋板，用于控制原料蒸發(fā)時間和速率；(6)打開基片加熱裝置，對基片進行加熱，加熱溫度為200 350°C ；(7)打開原料蒸發(fā)裝置，進行第一階段沉積，即利用等離子體化學氣相沉積的方法在清洗后的基片表面制備n型錫硫薄膜，并向等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中通入氬氣和氫氣，其中氬氣流量為20 70sccm，氫氣流量為5 50sccm，等離子體功率為60 250W，壓強100 150Pa，原料蒸發(fā)溫度150°C 1000°C，沉積時間20 120分鐘；等離子體化學氣相沉積方法中等離子體可以是微波等離子體、射頻等離子體或中頻等離子體；(8)第一階段沉積結束后，關閉氫氣，進行第二階段沉積，即利用等離子體化學氣相沉積的方法在清洗后的基片表面制備P型錫硫薄膜，并向等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中通入IS氣，其中IS氣流量20 70sccm,等尚子體功率為60 250W,等尚子體壓強100 150Pa，沉積時間20 120分鐘；(9)第二階段沉積結束后，重復步驟(7)和步驟(8)1 3次，以制備出多組p-n結；(10)停止通入氬氣；(11)在等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體中對制備出的多組p-n結進行真空退火，并在氬氣環(huán)境中冷卻至室溫，其中退火溫度300 450°C，退火時間30 120分鐘；(12)利用磁控濺射法在制備好的多組p-n結表面沉積厚度為100 300nm的銀膜，從而最終制備出疊層太陽能電池。
實施例I(I)清洗沉積有FTO透明導電膜的基片；(2)將清洗后的基片置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體內的基片加熱裝置上；(3)分別稱取氯化亞錫和硫代硫酸鈉9. 5g和24. Sg,并將其置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體內的原料蒸發(fā)裝置中；(4)通入氬氣，以產(chǎn)生氬氣等離子體,通入氬氣流量為30sccm ；(5)利用氬氣等離子體對清洗后的基片和等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體處理 20分鐘，氬氣等離子體的功率為30W，處理時的壓強為50Pa ；(6)打開基片加熱裝置，對基片進行加熱，加熱溫度為300°C ；(7)打開原料蒸發(fā)裝置，進行第一階段沉積，即利用等離子體化學氣相沉積的方法在清洗后的基片表面制備n型錫硫薄膜，并向等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中通入氬氣和氫氣，其中氬氣流量為30SCCm，氫氣流量為20SCCm，等離子體功率為150W，壓強lOOPa，原料蒸發(fā)溫度450°C，沉積時間40分鐘；(8)第一階段沉積結束后，關閉氫氣，進行第二階段沉積，即利用等離子體化學氣相沉積的方法在清洗后的基片表面制備P型錫硫薄膜，并向等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中通入氬氣，其中氬氣流量30SCCm，等離子體功率為150W，等離子體壓強80Pa，沉積時間30分鐘；(9)第二階段沉積結束后，重復步驟(7)和步驟(8) I次，以制備出兩組p-n結；(10)停止通入氬氣；(11)在等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體中對制備出的兩組p-n結進行真空退火，并在氬氣環(huán)境中冷卻至室溫，其中退火溫度350°C，退火時間60分鐘；(12)利用磁控濺射法在制備好的兩組p-n結表面沉積厚度為200nm的銀膜，從而最終制備出疊層太陽能電池。實施例2(I)清洗沉積有AZO透明導電膜的基片；(2)將清洗后的基片置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體內的基片加熱裝置上；(3)分別稱取氯化亞錫和單質硫9. 5g和3. 2g，并將其置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體內的原料蒸發(fā)裝置中；(4)通入氬氣，以產(chǎn)生氬氣等離子體，通入氬氣流量為40SCCm ；(5)利用氬氣等離子體對清洗后的基片和等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體處理15分鐘，氬氣等離子體的功率為30W，處理時的壓強為50Pa ；(6)打開基片加熱裝置，對基片進行加熱，加熱溫度為250°C ；(7)打開原料蒸發(fā)裝置，進行第一階段沉積，即利用等離子體化學氣相沉積的方法在清洗后的基片表面制備n型錫硫薄膜，并向等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中通入氬氣和氫氣，其中氬氣流量為40SCCm，氫氣流量為30SCCm，等離子體功率為200W，壓強90Pa，原料蒸發(fā)溫度450°C，沉積時間40分鐘；(8)第一階段沉積結束后，關閉氫氣，進行第二階段沉積，即利用等離子體化學氣相沉積的方法在清洗后的基片表面制備P型錫硫薄膜，并向等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中通入氬氣，其中氬氣流量40SCCm，等離子體功率為200W，等離子體壓強70Pa，沉積時間40分鐘；(9)第二階段沉積結束后，重復步驟(7)和步驟(8) I次，以制備出兩組p-n結；(10)停止通入氬氣；(11)在等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體中對制備出的兩組p-n結進行真空退火，并在氬氣環(huán)境中冷卻至室溫，其中退火溫度300°C，退火時間50分鐘；
(12)利用磁控派射法在制備好的兩組p-n結表面沉積厚度為150nm的銀膜,從而最終制備出疊層太陽能電池。實施例3(I)清洗沉積有透明導電膜ITO的基片；(2)將清洗后的基片置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體內的基片加熱裝置上；(3)將含四氯化錫和硫代硫酸鈉分別稱取2. 6g和7. 5g，并將其置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體內的原料蒸發(fā)裝置中；(4)通入氬氣，以產(chǎn)生氬氣等離子體，通入氬氣流量為50SCCm ；(5)利用氬氣等離子體對清洗后的基片和等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體處理20分鐘，氬氣等離子體的功率為25W，處理時的壓強為30Pa ；(6)打開基片加熱裝置，對基片進行加熱，加熱溫度為200°C ；(7)打開原料蒸發(fā)裝置，進行第一階段沉積，即利用等離子體化學氣相沉積的方法在清洗后的基片表面制備n型錫硫薄膜，并向等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中通入氬氣和氫氣，其中氬氣流量為30SCCm，氫氣流量為30SCCm，等離子體功率為150W，壓強120Pa，原料蒸發(fā)溫度350°C，沉積時間60分鐘；(8)第一階段沉積結束后，關閉氫氣，進行第二階段沉積，即利用等離子體化學氣相沉積的方法在清洗后的基片表面制備P型錫硫薄膜，并向等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中通入氬氣，其中氬氣流量50SCCm，等離子體功率為150W，等離子體壓強80Pa，沉積時間40分鐘；(9)第二階段沉積結束后，重復步驟(7)和步驟(8) 2次，以制備出三組p_n結；(10)停止通入氬氣；(11)在等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體中對制備出的三組p-n結進行真空退火，并在氬氣環(huán)境中冷卻至室溫，其中退火溫度300°C，退火時間60分鐘；(12)利用磁控濺射法在制備好的三組p-n結表面沉積厚度為250nm的銀膜，從而最終制備出疊層太陽能電池。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種制備錫硫化合物疊層太陽能電池的方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)清洗沉積有透明導電膜的基片； (2)將清洗后的基片置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體內的基片加熱裝置上； (3)將含錫和硫的原料置于等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體內的原料蒸發(fā)裝置中； (4)通入氬氣，以產(chǎn)生氬氣等離子體，通入氬氣流量為20 70SCCm； (5)利用氬氣等離子體對清洗后的基片和等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體處理10 20分鐘，氬氣等離子體的功率為10 50W，處理時的壓強為30 IOOPa ； (6)打開基片加熱裝置，對基片進行加熱，加熱溫度為200 350°C； (7)打開原料蒸發(fā)裝置，進行第一階段沉積，即利用等離子體化學氣相沉積的方法在清洗后的基片表面制備n型錫硫薄膜，并向等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中通入氬氣和氫氣，其中氬氣流量為20 70sccm，氫氣流量為5 50sccm，等離子體功率為60 250W，壓強100 150Pa，原料蒸發(fā)溫度150°C 1000°C，沉積時間20 120分鐘； (8)第一階段沉積結束后，關閉氫氣，進行第二階段沉積，即利用等離子體化學氣相沉積的方法在清洗后的基片表面制備P型錫硫薄膜，并向等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中通入IS氣，其中IS氣流量20 70sccm,等尚子體功率為60 250W,等尚子體壓強100 150Pa,沉積時間20 120分鐘； (9)第二階段沉積結束后，重復步驟(7)和步驟(8)1 3次，以制備出多組p-n結； (10)停止通入氬氣； (11)在等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)的腔體中對制備出的多組P-n結進行真空退火，并在氬氣環(huán)境中冷卻至室溫，其中退火溫度300 450°C，退火時間30 120分鐘； (12)利用磁控濺射法在制備好的多組p-n結表面沉積厚度為100 300nm的銀膜，從而最終制備出疊層太陽能電池。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，含錫和硫的原料包括單質錫、單質硫、含錫和硫元素的化合物或者納米硫化亞錫粉末。
3.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，透明導電膜是由ITO、AZO或FTO材料制成。
4.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，原料蒸發(fā)裝置的數(shù)量為I個或多個，并且原料蒸發(fā)裝置上設有擋板，用于控制原料蒸發(fā)時間和速率。
5.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，等離子體化學氣相沉積方法中等離子體可以是微波等離子體、射頻等離子體或中頻等離子體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備錫硫化合物疊層太陽能電池的方法，其通過在薄膜制備過程中通入氫氣的方法進行p型或n型錫硫薄膜的沉積，通過薄膜的疊加，從而制備出錫硫疊層薄膜太陽電池。利用等離子體化學氣相沉積的方法，通過控制通入氫氣的流量、時間以及加入的原料的量或配比等各工藝參數(shù)，調節(jié)沉積過程中腔體中硫和錫元素的配比，進而調節(jié)制備出的薄膜中兩種元素的配比，可以對沉積的各層薄膜的厚度和禁帶寬度進行控制，得到較為理想的錫硫疊層薄膜太陽電池。本發(fā)明制備工藝簡單，在同一設備中即可完成，避免了摻雜較為復雜的工藝，降低了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期，為疊層薄膜太陽電池的制備提供了一種更為簡單、高效的方法。
文檔編號H01L31/18GK102655187SQ20121012599
公開日2012年9月5日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權日2012年4月26日
發(fā)明者劉明海, 王士才, 王曼星, 程莉莉 申請人:華中科技大學