一種太陽(yáng)電池吸收層材料銅鋅錫硫薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種太陽(yáng)電池吸收層材料銅鋅錫硫薄膜的制備方法，包括采用溶膠凝膠法制備金屬預(yù)制層薄膜和金屬預(yù)制層薄膜的硫化。本發(fā)明中所采用的三乙醇胺可以有效的起到穩(wěn)定劑的作用，使得所制備的薄膜的性能有所提高，具有良好的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和光電特性。本發(fā)明的薄膜成份可以精確控制，制備成本低廉，操作過(guò)程簡(jiǎn)單。本發(fā)明利用改變硫化溫度的方法選取較好的硫化條件，通過(guò)測(cè)試表明：在500℃的硫化溫度下，硫化制備出的銅鋅錫硫薄膜光電性能較好，其中，光學(xué)帶隙1.47eV，電阻率、遷移率和載流子濃度分別為581.5Ω·cm、1.411cm2/(V·s)和2.165×1016cm-3，適宜作為太陽(yáng)電池的吸收層材料。
【專利說(shuō)明】一種太陽(yáng)電池吸收層材料銅鋅錫硫薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電材料與器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種太陽(yáng)電池吸收層材料銅鋅錫硫薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]薄膜太陽(yáng)能電池主要包括硅系薄膜太陽(yáng)能電池、CIGS薄膜太陽(yáng)能電池和CdTe薄膜太陽(yáng)能電池。硅系薄膜太陽(yáng)能電池由于光致衰減效應(yīng)而影響了電池的轉(zhuǎn)化效率以及使用壽命；CIGS和CdTe薄膜太陽(yáng)能電池由于含有稀缺元素銦以及鎘而限制了它們的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。所以，越來(lái)越多的研究人員將目光投向了無(wú)毒無(wú)污染且原料來(lái)源廣泛的Cu2ZnSnS4 (CZTS)薄膜太陽(yáng)能電池上。銅鋅錫硫具有鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)或類黝錫礦結(jié)構(gòu)，其禁帶寬度Eg約為1.51eV,與太陽(yáng)能電池的最佳禁帶寬度1.5eV非常接近且吸收系數(shù)超過(guò)KT4CnT1,所以CZTS薄膜吸收層的厚度可以做得很薄(2 μ m左右)，非常符合薄膜太陽(yáng)能電池對(duì)吸收層材料的要求。此外，由于CZTS的原材料無(wú)毒且來(lái)源廣泛，使得這種材料成為了生產(chǎn)薄膜太陽(yáng)能電池的最佳候選材料之一。
[0003]但由于目前研究CZTS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層材料的制備方法主要集中在真空沉積法上，設(shè)備要求高，制備成本也較高，且所制備的薄膜材料成分比例難以精確控制。所以針對(duì)以上問(wèn)題，我們研究采用溶膠凝膠法制備銅鋅錫硫薄膜，由于該方法屬于化學(xué)方法，設(shè)備要求不高，成本低廉，且薄膜成分可以得到精確控制。從而可以很好的制備出銅鋅錫硫薄膜材料。這是本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種太陽(yáng)電池吸收層材料銅鋅錫硫薄膜的制備方法，該薄膜成份可以精確控制，制備成本低廉，操作過(guò)程簡(jiǎn)單。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種太陽(yáng)電池吸收層材料銅鋅錫硫薄膜的制備方法包括采用溶膠凝膠法制備金屬預(yù)制層薄膜和金屬預(yù)制層薄膜的硫化。
[0006]( I)金屬預(yù)制層薄膜的制備
A、襯底選用浮法玻璃，用稀鹽酸、丙酮和乙醇分別浸泡和超聲波清洗，烘干備用；
B、將一水合醋酸銅、二水合醋酸鋅和二水合氯化亞錫溶于乙二醇甲醚和三乙醇胺的混合溶液中，水浴加熱制得膠體；
C、利用旋涂法將步驟B的膠體涂覆在步驟A的浮法玻璃襯底上，經(jīng)高溫烘烤制成銅鋅錫硫預(yù)制層薄膜；重復(fù)數(shù)次以達(dá)到所需薄膜厚度；
(2)金屬預(yù)制層薄膜的硫化
在石英管高溫硫化爐中進(jìn)行金屬預(yù)制層薄膜的硫化，將盛有金屬預(yù)制層薄膜樣品的石英舟放置在石英管的中心處，首先在真空狀態(tài)下升溫，爐溫以10°C /min的速度從室溫升溫至400°C ;然后，將溫度以10°C /min的速度從400°C升溫至硫化溫度460°C?540°C并通入200 sccm的N2 ;使預(yù)制層在H2S和N2的混合氣體中保持l.0h ;最后自然冷卻到室溫，制得所述的太陽(yáng)電池吸收層材料銅鋅錫硫薄膜。
[0007]本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明中所利用的三乙醇胺是較好的穩(wěn)定劑材料，該種材料在配制溶膠的過(guò)程中起到了重要的作用。較之于其他種穩(wěn)定劑(如單乙醇胺)在本發(fā)明中有著更好的穩(wěn)定效果。由于穩(wěn)定劑選用了三乙醇胺，通過(guò)膠體所制備出的CZTS薄膜具有較好的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和光電特性。此外，本發(fā)明的薄膜成份可以精確控制，制備成本低廉，操作過(guò)程簡(jiǎn)單。本發(fā)明利用改變硫化溫度的方法選取較好的硫化條件，通過(guò)測(cè)試表明:在500°C的硫化溫度下，硫化制備出的銅鋅錫硫薄膜光電性能較好，其中，光學(xué)帶隙1.47eV,電阻率、遷移率和載流子濃度分別為581.5 Ω.cmU.411 cm2/ (V.s)和2.165 X IO16 cnT3，適宜作為太陽(yáng)電池的吸收層材料。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是不同硫化溫度下所制備的CZTS薄膜的XRD譜。
[0009]圖2是不同硫化溫度下所制備的CZTS薄膜的拉曼譜。
[0010]圖3是不同硫化溫度下CZTS薄膜的SEM圖像:(a) 460 V (b) 480 V (c) 500 V(d) 520 °C (e)540°C。
[0011]圖4是不同硫化溫度下CZTS薄膜的吸收比。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面通過(guò)實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，這些實(shí)施例僅用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，并不限制本發(fā)明的范圍。
[0013]結(jié)合一實(shí)例說(shuō)明實(shí)施方式，具體制備工藝如下:
金屬預(yù)制層制備:
襯底選用浮法玻璃，依次經(jīng)去離子水、丙酮、乙醇浸泡并用超聲機(jī)振蕩洗滌，烘干；將一水合醋酸銅、二水合醋酸鋅以及二水合氯化亞錫三種藥品溶于乙二醇甲醚和三乙醇胺混合溶液中，水浴加熱反應(yīng)制作成膠體；再利用旋涂法將膠體涂覆在浮法玻璃襯底上，經(jīng)高溫烘烤制備成銅鋅錫硫預(yù)制層薄膜。此過(guò)程重復(fù)數(shù)次后，得到所需厚度的薄膜。
[0014]硫化金屬預(yù)制層
在石英管高溫硫化爐中進(jìn)行硫化金屬預(yù)制層的硫化，將放有金屬預(yù)制層薄膜樣品的石英舟放置在石英管的中心處；在真空狀態(tài)下升溫，爐溫以10°C /min的速度從室溫升溫至4000C ;然后，再將溫度以10°C /min的速度從400°C升溫至硫化溫度460°C?540°C并通入200 sccm的N2 ;在不同的硫化溫度下使預(yù)制層在H2S和N2的混合氣體中保持1.0 h ;最后自然冷卻到室溫，銅鋅錫硫薄膜制備完成。
[0015]制備的樣品利用XRD和拉曼測(cè)試儀進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的分析，化學(xué)元素組成采用EDS進(jìn)行測(cè)試，薄膜表面形貌則用SEM測(cè)試儀進(jìn)行分析，光吸收特性則采用紫外一可見(jiàn)光(UV-VIS)分光光度計(jì)測(cè)量，電學(xué)性質(zhì)由霍爾測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。
[0016]結(jié)果表明:隨著硫化溫度的升高，薄膜的結(jié)晶性變好，具有單一鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)。當(dāng)硫化溫度為500 °C時(shí)，所制備的CZTS薄膜材料的禁帶寬度為1.47eV,載流子濃度為
2.165 X IO16 cnT3，遷移率為 1.411 cm2/(V.s)，電阻率為 581.5 Ω.cm，適合作為 CZTS 薄膜太陽(yáng)電池的吸收層材料。
[0017]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽(yáng)電池吸收層材料銅鋅錫硫薄膜的制備方法，其特征在于:包括采用溶膠凝膠法制備金屬預(yù)制層薄膜和金屬預(yù)制層薄膜的硫化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)電池吸收層材料銅鋅錫硫薄膜的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)金屬預(yù)制層薄膜的制備 A、襯底選用浮法玻璃，用稀鹽酸、丙酮和乙醇分別浸泡和超聲波清洗，烘干備用； B、將一水合醋酸銅、二水合醋酸鋅和二水合氯化亞錫溶于乙二醇甲醚和三乙醇胺的混合溶液中，水浴加熱制得膠體； C、利用旋涂法將步驟B的膠體涂覆在步驟A的浮法玻璃襯底上，經(jīng)高溫烘烤制成銅鋅錫硫預(yù)制層薄膜；重復(fù)數(shù)次以達(dá)到所需薄膜厚度； (2)金屬預(yù)制層薄膜的硫化 在石英管高溫硫化爐中進(jìn)行金屬預(yù)制層薄膜的硫化，將盛有金屬預(yù)制層薄膜樣品的石英舟放置在石英管的中心處，首先在真空狀態(tài)下升溫，爐溫以10°C /min的速度從室溫升溫至400°C ;然后，將溫度以10°C /min的速度從400°C升溫至硫化溫度460°C~540°C并通入200 sccm的N2 ;使預(yù)制層在H2S和N2的混合氣體中保持l.0h ;最后自然冷卻到室溫，制得所述的太陽(yáng)電池吸收層材料銅鋅錫硫薄膜。
3.—種如權(quán)利要求1所述的方法制得的太陽(yáng)電池吸收層材料銅鋅錫硫薄膜。
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK103606591SQ201310571098
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】程樹(shù)英, 龍博, 賴云鋒, 周海芳, 俞金玲, 賈宏杰, 張紅, 鄭巧 申請(qǐng)人:福州大學(xué)