專利名稱：真空蒸發制備ZnS/SnS雙層薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及用真空蒸發法制備ZnS/SnS雙層薄膜的方法，屬太陽能電池無機薄膜 元件制備工藝技術領域。
背景技術：
提高轉換效率和降低成本是光伏產業所面臨的主要問題，薄膜太陽能電池與單晶 多晶硅太陽能電池相比，其優勢在于制造成本更低，制備過程更為簡單其且多樣化。II-VI 族化合物半導體SnS，晶格結構為a=4. 329 ，b=ll. 193 ，c=3. 980 ，Sn和S原子通過范德 華力聯系在一起。由于其天然無毒且在可見光范圍的優良的帶隙寬度(間接帶隙1.0-1. 1， 直接帶隙1. 3-1. 5)，引起人們的關注。SnS薄膜在太陽能電池中較適合做吸收層，又呈自然的P型，可以與N型半導體形 成P-N結，在理論上SnS薄膜太陽能電池的轉化效率可達到25%。目前國外報道中研究最 多的結構是SnS/CdS異質結型電池，K. T. R. Reddy研究小組用SnCl和硫脲混合溶液，使用 噴霧熱分解法，在溫度為350°C的鍍SnO2的玻璃襯底上制作SnS薄膜，使用真空蒸發法制 作CdS薄膜，摻入了 2 at%的In來降低CdS電阻率，最后在CdS上蒸鍍的In電極。制作 的CdS/SnS太陽能電池轉化效率為1. 3%，量子效率為70%。這是目前報道的轉化效率最高 的SnS薄膜電池。但是大多SnS/CdS電池的效率無法提升到2%以上，Masaya Ichimura從 理論上證明由于SnS和CdS的結構問題，導致了 SnS/CdS異質結的能帶偏移。SnS導帶的偏 移阻止了光生載流子的在PN結之間的流動，這就部分解釋了 SnS/CdS轉換效率低的問題。基于上述的問題，人們嘗試了各種方法尋找另外一種N型半導體來制作SnS薄膜 太陽能電池。SnS/ZnO、SnS/ZnS和SnS/SnS2等異質結的制備與研究進入了人們的視野。 Masaya Ichimura小組和Biswajit Ghosh小組選擇電沉積技術制造ZnO薄膜作為SnS薄 膜電池為窗口層。在Tetsuya Miyawaki使用了一種新的方法，即光化學沉積法(P⑶)來制 作ZnS薄膜作為太陽能電池的窗口層。同樣M. Gimasekaran小組使用光化學沉積發得到 CdZnS薄膜。雖然這些嘗試至今沒有在提高SnS薄膜的太陽能電池的效率上有所突破，但這 些研究對于后來人的研究提供了很多的借鑒。
發明內容
本發明的目的是提供一種真空蒸發制備太陽能電池ZnS/SnS雙層薄膜的方法。本發明一種真空蒸發制備太陽能電池ZnS/SnS雙層薄膜的方法，其特征在于具有 以下的過程和步驟。a. 先將作為襯底用的涂復有摻錫氧化銦(ITO)的玻璃用去離子水、丙酮、無水 乙醇分別在超聲條件下進行清洗；烘干后裝在真空鍍膜裝置的樣品夾上；采用真空蒸發系 統，將純度為96%的SnS粉末和純度為99%的ZnS粉末分別放入兩個蒸發鉬舟內，采用先后 連續分舟蒸發ZnS和SnS的方式形成雙層薄膜；兩個鉬舟分別用電熱導線連接至外面的溫 度控制裝置上；控制襯底溫度為150°C 160°C，真空壓力為(2 3) X 10-3Pa ；樣品架與鉬舟蒸發源之間的距離為20 25cm ；蒸發源SnS和ZnS的加熱溫度分別為1000°C 1200°C ； b.真空蒸發過程結束后，將鍍覆有雙層薄膜的襯底放入真空管式退火爐中進行退火， 退火的溫度選擇為300°C，400°C和500°C ；控制退火爐的溫度曲線呈階梯上升形態；整個退 火過程中需通入氮氣，以防薄膜表面發生氧化。本發明利用P型半導體SnS作為吸收層，而ZnS為直接帶隙N型半導體，其禁帶寬 度為3.5 3.8eV，具有良好的光電性能，適合作為太陽能電池的窗口層。本發明的特點和優點如下所述
1.采用真空蒸發法制備薄膜。該方法具有工藝簡單，成膜均勻，生長速度快等優點。2.該發明P型和N型薄膜采用同種工藝方法，避免了使用不同工藝而導 致的工藝不匹配，同時提高了薄膜制備的效率，降低了制作的成本。3.該方法制備的薄膜具有優良的電學性能和光學性能，且合適的退火溫 度能進一步改善薄膜的性能，有很強的實用性。4.該薄膜結構簡單，能很好的應用于SnS薄膜太陽能電池。
圖1為本發明ZnS/SnS雙層薄膜的退火溫度曲線。圖2為本發明不同退火溫度下的ZnS/SnS薄膜X射線衍射(XRD)圖。圖3為本發明在300°C和400°C退火溫度下薄膜的I_V曲線圖。圖4為本發明在500°C退火溫度下薄膜的I-V曲線圖。圖5為本發明不同退火溫度下的ZnS/SnS雙層薄膜的吸收光譜圖。
具體實施例方式現將本發明的具體實施例進一步詳細敘述于后 實施例本實施例的制備過程和步驟如下所述
(1)制備樣品前，先將作襯底用的ITO玻璃分別用去離子水、丙酮、無水乙醇在超聲中 清洗15分鐘，烘干后裝入真空鍍膜機的樣品夾上。(2)本發明使用北京北儀創新真空設備公司的DM-450A真空蒸發系統，采用純度 為96%的SnS粉末和純度為99%的ZnS粉末，重量分別為50mg和70mg，分別放入到兩個蒸 發鉬舟內。調整樣品架與蒸發源(鉬舟)間的距離，約為20cm。蒸發過程中參數的控制如表 1所示。
權利要求
一種真空蒸發制備太陽能電池ZnS/SnS雙層薄膜的方法，其特征在于具有以下的過程和步驟a． 先將作為襯底用的涂復有摻錫氧化銦(ITO)的玻璃用去離子水、丙酮、無水乙醇分別在超聲條件下進行清洗；烘干后裝在真空鍍膜裝置的樣品夾上；采用真空蒸發系統，將純度為96%的SnS粉末和純度為99%的ZnS粉末分別放入兩個蒸發鉬舟內，采用先后連續分舟蒸發ZnS和SnS的方式形成雙層薄膜；兩個鉬舟分別用電熱導線連接至外面的溫度控制裝置上；控制襯底溫度為150℃～160℃，真空壓力為(2～3)×10 3Pa；樣品架與鉬舟蒸發源之間的距離為20～25cm；蒸發源SnS和ZnS的加熱溫度分別為1000℃1200℃；b.真空蒸發過程結束后，將鍍覆有雙層薄膜的襯底放入真空管式退火爐中進行退火，退火的溫度選擇為300℃，400℃和500℃；控制退火爐的溫度曲線呈階梯上升形態；整個退火過程中需通入氮氣，以防薄膜表面發生氧化。
全文摘要
本發明涉及一種真空蒸發法制備太陽能電池ZnS/SnS雙層薄膜的方法，屬太陽能電池無機薄膜元件制備工藝技術領域。本發明使用P半導體SnS為作為吸收層，使用真空蒸發系統，采用連續分舟蒸發ZnS和SnS薄膜獲得雙層薄膜的方式。調整樣品架本發明中，ITO玻璃襯底溫度控制為150℃～160℃，真空壓力為2~3×10-3Pa，襯底與蒸發源鉬舟間的距離為20cm左右，控制SnS和ZnS的蒸發溫度為1000～1200℃；蒸發過程完成后，進入真空管式退火爐進行退火，退火的溫度分別選擇為300℃，400℃和500℃。本發明方法工藝簡單，薄膜制備的效率高，制得的薄膜具有良好的電學和光學性能，適合應用于太陽能電池。
文檔編號C23C14/58GK101979704SQ20101052796
公開日2011年2月23日 申請日期2010年11月2日 優先權日2010年11月2日
發明者劉晟, 史偉民, 周杰, 孫杰, 張小麗, 武文軍, 淤凡楓, 聶磊, 胡喆, 陳振一, 陳潔利, 馬磊, 黃璐 申請人:上海大學