薄膜太陽電池的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低成本FeS2薄膜太陽電池的制備方法，屬于高效、低成本、環(huán)境友好的光伏電池技術領域。
【背景技術】
[0002]高效、低成本和環(huán)境友好的新型太陽電池的關鍵材料與器件的研究是大規(guī)模應用太陽電池，解決化石能源日益枯竭和環(huán)境問題的關鍵，也是太陽電池領域研究的熱點和難點。
[0003]探索低成本薄膜太陽電池材料是未來規(guī)?；锰柲馨l(fā)電的必由之路。二硫化亞鐵(FeS2)作為組成元素無毒、儲量十分豐富的二元化合物，具有合適的禁帶寬度、較高的光吸收系數和足夠的載流子擴散長度等優(yōu)點。因此，FeS2是一種較為理想的低成本環(huán)境友好型薄膜太陽電池材料。其最終應用的關鍵之一在于發(fā)展低成本的合成方法，制備在空氣中穩(wěn)定的純立方相FeS2材料。FeS 2在制造太陽電池等光電轉換器件方面具有良好的應用潛力，也可作為染料敏化太陽電池的窄禁帶半導體敏化材料。早期的理論研究(A.Ennaoui,
S.Fieehter, C.H.Pettenkofer，N.Alonso-Vante, K.Buker, M.Bronold, C.Hopfeer,
H.Tributseh， Irondisulf ideforsolarenergyeonvers1n, SolarEnergyMaterialsandSolarCells, 1993, 29(4): 289-370)認為利用FeS2可做成pn結及pin結構的太陽電池，進而實現光電轉換。其中的pn結結構的形成可通過摻雜元素來控制。根據P.P.Altermatt等人(P.P.Altermatt, T.Kiesewetter, K.Ellmer，H.Tributseh, Speeifying targetsof futurer esearch in Photovoltaie devices eontaining Pyrite (FeS2) by numericalmodeling, Solar Energy Materials and Solar Cells, 2002，71 (2): 181-195)關于 FeS2單晶及薄膜的計算模擬分析，pn結結構太陽電池的光電轉效率可達18.5%。
[0004]近年來，人們對？必2半導體材料的其它應用也進行了研究，如美國發(fā)明專利:Method to synthesize colloidal iron pyrite (FeS2) nanocrystals and fabric ateiron pyrite thin film solar cells (US20110240108A1):專利公提供了一種用于高效，低成本的P_n異質結黃鐵礦(FeS2)太陽能電池的制造系統和方法。包括黃鐵礦(FeS2)薄電池組件包括窗口層、吸收層和電極。提供合成膠體黃鐵礦納米晶體的方法。還提供了一種化學法制造高效率，低成本的pn異質結黃鐵礦的太陽能電池的方法。美國發(fā)明專利:Counterelectrode and dys-sensitized solar cell using the same (US20140158186A1 )，專利公開了一種背電極和染料敏化太陽能電池。染料敏化太陽能電池包括:前電極，背電極和電解質溶液，背電極包括導電層和催化劑層。催化劑層包括的FeS2，將電解液布置在前電極和對電極之間。因此是將FeS2修飾IT0應用到染料敏化太陽電池中，本發(fā)明能夠顯著減小背電極和染料敏化太陽能電池的制造成本。本專利在背電極鉬(Mo)層上蒸發(fā)制備FeS2薄膜作為P型層，材料帶隙為0.95eV~l.37eV，不同的S含量及微結構可調控材料的帶隙；再在P型層上制備1-Zn0作為N型層，材料帶隙為3.2eV ;為了使P型層和N型層之間的帶隙匹配良好，在兩層間加入一層CdS (Eg=2.4eV)作為緩沖層，在i_Zn0上制備Zn0:Al作為透明導電氧化層，最后制備MgF2作為減反膜和前電極Ag-Mg合金，從而制備出FeS 2太陽電池，相比較而言，本專利具有工藝簡單、薄膜均勻性好、易控制等優(yōu)點。

【發(fā)明內容】

[0005]針對【背景技術】提出的問題，本發(fā)明專利提出一種低成本FeS2薄膜太陽電池的制備方法:先在襯底上制備一層Mo作為背電極，在背電極上制備FeS2薄膜并進行硫化作為P型層，在FeS2上制備一層CdS薄膜作為緩沖層；再制備1-ZnO和ZnO:Al作為N層和透明導電氧化層，最后制備MgF；^反膜，Ag-Mg合金前電極。最終制備出結構為Glass/Mo/FeS 2/CdS/1-ZnO/ZnO: A1 /MgF2/Ag-Mg 的？652薄膜太陽電池。
[0006]為實現上述目標，本發(fā)明采用以下技術手段。具體如下:
A:襯底的清洗:采用玻璃為襯底，依次使用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗10min~15min ；
B:背電極的制備:利用直流磁控濺射鍍膜系統，采用純度為99.999%的金屬Mo靶為靶材，本底真空為6.0 X 10 4Pa，濺射壓強為1.0Pa，濺射功率為70W~80W，在玻璃襯底上濺射制備Mo膜為背電極，厚度為200nm~300nm ；
C:FeS2薄膜的制備:采用電子束真空蒸發(fā)鍍膜系統，利用純度大于99.99%的FeS 2顆粒為蒸發(fā)原料，本底真空為6.0 X 10 4Pa，蒸鍍壓強為4.0 X 10 3Pa，束流為5mA~15mA，在背電極上制備FeS2薄膜，厚度為1.5um~2.0um，對蒸發(fā)制備的FeS 2薄膜進行硫化處理，FeS 2薄膜為P型；
D:緩沖層的制備:采用CdS為緩沖層，利用化學水浴(CBD)法在FeS2薄膜上制備CdS緩沖層，溫度為65 °C -75 °C，厚度為50nm~60nm ;
E:窗口層的制備:利用射頻磁控濺射在緩沖層薄膜上濺射制備ZnO薄膜為窗口層，本底真空為6.0X 10 4Pa，濺射壓強為0.08Pa，濺射功率為100W~120W，厚度為300nm~350nm，再在ZnO薄膜表面濺射制備A1膜，本底真空為6.0 X 10 4Pa，濺射壓強為1.0Pa,濺射功率為70ff~80ff,厚度為10~20nm并進行退火處理，退火氣氛為N2，退火溫度為300 °C，退火時間為30min~40min，在ZnO表層形成厚度為250nm~300nm的Zn0:Al作為透明導電薄膜；
F:減反膜的制備:利用電子束真空蒸發(fā)鍍膜系統制備MgF2薄膜為減反膜，本底真空為
4.0X10 4Pa，蒸鍍壓強為4.0X10 3Pa，束流為5mA~15mA，在窗口層上制備100nm MgF2減反膜；
G:前電極:利用真空蒸發(fā)在刻蝕后的薄膜表面蒸鍍Ag薄膜為電極，本底真空為6.0X10 6Pa，濺射壓強為1.0Pa，濺射功率為70W~80W，厚度為100nm。
[0007]本發(fā)明與公知技術相比具有的優(yōu)點及積極效果:
1、？必2是一種具有吸收系數大，組成元素簡單、無毒且儲量豐富，用于制備太陽電池時可以減少材料用量，降低成本；
2、本專利采用正空蒸發(fā)鍍膜系統制備FeS2薄膜，具有成膜均勻、成膜速率快、結晶性能好、易控制等優(yōu)點。
[0008]【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明提供的一種低成本FeS2薄膜太陽電池的制備流程圖；
圖2為本發(fā)明提供的一種低成本？必2薄膜太陽電池的結構圖。
[0009]【具體實施方式】:
實施例1:
本實施例按以下步驟:
1、依次使用丙酮、無水乙醇和去離子水分別對玻璃襯底進行超聲清洗lOmin，N2吹干；
2、采用磁控濺射鍍膜系統，以純度大于99.999%的鉬靶為靶材，在玻璃襯底上制備背電極，濺射氣體為純度99.99%的Ar氣；本底真空為6.0X10 4pa，通入Ar氣，流量為30sccm~40sccm,調節(jié)濺射壓強為1.0Pa，功率為74w，濺射時間為60s~100s，在襯底上濺射制備 200nm~300nm 的 Mo 膜；
3、在背電極表面采用電子束蒸發(fā)系統制備厚度為1.5um~2.0um的FeSj莫，本底真空為4.0X10 4pa，蒸發(fā)電流為0.65A-0.75A，電壓隨電流自動設置，高壓為80KV ;束流5mA~15mA ；將制備的FeSj莫樣品放入管式硫化爐中進行硫化25min~30min，調控薄膜中的Fe、S含量比；
4、用去離水配制電解液(電解液含lmol/L的Cd(CH3C00)2，5mol/L的NH2CSNH2，lmol/L的CH3C00NH4，0.4mol/L的NH40H)，將溶液的pH值調整為12~18，采用三電極電化學體系在配制好的電解液中沉積氧CdS薄膜層。沉積過程采用恒電位方式，在70°C的沉積溫度下無攪拌進行，沉積量通過監(jiān)測沉積電荷量來控制，沉積時間約30min~60min，厚度為5nm~20nm ；用去離子水清洗沉積的CdS薄膜樣品，自然晾干；
5、采用磁控濺射鍍膜系統，以純度大于99.99%的ZnO靶為靶材，在CdS上制備ZnO薄膜，濺射氣體為純度99.99%的Ar氣；本底真空為6.0X10 4pa，通入Ar氣，流量為30sccm~40sccm，調節(jié)派射壓強為 0.68pa~0.72pa，功率為 100W，厚度為 300nm~350nm ；
6、采用磁控濺射鍍膜系統，以純度大于99.999%的A1靶為靶材，在ZnO上制備背A1膜，濺射氣體為純度99.99%的Ar氣；本底真空為6.0X 10 4pa，通入Ar氣，流量為30sccm~40sccm，調節(jié)派射壓強為 1.0pa~l.2pa，功率為 74W，厚度為 20nm~30nm ；
7、將制備的薄膜樣品放入RTP光熱快速退火爐中，在隊氣氛下以300°C~350°C進行快速退火 25min，使得 i_Zn0 膜厚為 50nm，Zn0:Al 厚度在 250nm~300nm ；
8、采用電子束真空蒸發(fā)鍍膜系統，制備厚度為80nm~100nm的1%匕減反膜，本底真空為4.0X 10 4pa，蒸發(fā)電流為0.65A-0.75A，電壓隨電流自動設置，高壓為80KV ;束流5mA?15mA ；
9、采用電子束真空蒸發(fā)鍍膜系統，在刻蝕后的薄膜上制備厚度為120nm~150nm的Ag-Mg合金薄膜作為電極，材料選用純度為99.999%的Ag和Mg顆粒，本底真空為4.0X10 4pa，蒸發(fā)電流為0.65A-0.75A，電壓隨電流自動設置，高壓為80KV ;束流5mA~15mA。
[0010]實施例2:
本實施例按以下步驟:
與實施例1相似，不同之處在于電池結構中，選擇利用ZnS為緩沖層。
[0011]實施例3:
本實施例按以下步驟:
與實施例1相似，不同之處在于電池結構中，不使用緩沖層。
[0012]實施例4:
本實施例按以下步驟:與實施例1相似，不同之處在于電池結構中，選擇利用FTO為背電極。
【主權項】
1.一種低成本FeS 2薄膜太陽電池的制備方法，其特征是:在襯底上制備一層厚度為200nm~300nm的金屬鉬(Mo)膜作為背電極，在Mo膜上采用蒸發(fā)制備厚度為1.5um~2.0um的FeS2薄膜并進行硫化處理形成P層，在FeS J莫上采用電化學沉積厚度為5nm~20nm的CdS薄膜作為緩沖層，在CdS薄膜上濺射制備1-ZnO厚度為300nm~350nm，在i_ZnO表面濺射制備厚度為25nm~30nm的Al膜，并結合快速光熱退火處理，在表面形成一層20nm~50nm的ZnO: Al薄膜作為透明導電氧化層，最后蒸發(fā)制備厚度為80nm~100nm的MgF2減反膜，經過激光刻蝕和清洗后采用濺射制備了厚度為120nm~150nm的Ag-Mg合金作為前電極，從而制備出結構為襯底 /Mo/FeS2/CdS/1-ZnO/ZnO:Al/MgF2/Ag-Mg 的 FeSJ^膜太陽電池。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種低成本FeS2薄膜太陽電池的制備方法。主要是通過在襯底上制備鉬背電極，在背電極上制備FeS2薄膜并進行硫化形成P層，進而制備CdS薄膜作為緩沖層，在緩沖層上制備i-ZnO及ZnO:Al薄膜，最后制備MgF2減反膜，經過激光刻蝕和清洗后制備Ag-Mg合金作為前電極，從而制備出結構為襯底/Mo/FeS2/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/MgF2/Ag-Mg的FeS2薄膜太陽電池。這種結構的太陽電池中其核心材料FeS2和ZnO組成元素儲量大、無毒，能有效降低太陽電池的成本，FeS2屬于黃色立方結構的二元化合物，具有吸收系數大、帶隙可調及穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是理想的光伏材料之一，有望獲得穩(wěn)定、高效的太陽電池。
【IPC分類】H01L31/18
【公開號】CN105140338
【申請?zhí)枴緾N201510450904
【發(fā)明人】楊雯, 段良飛, 楊培志, 李學銘, 趙恒利
【申請人】云南師范大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年7月29日