全真空法制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種全真空法制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池的方法，用于制備薄膜太陽電池材料，屬于光電材料新能源技術領域。
【背景技術】
[0002]盡管銅銦鎵砸(CIGS)和碲化鎘(CdTe)太陽電池仍然是化合物半導體薄膜電池吸收層的主流材料，但因CIGS中其組成元素銦和鎵在自然界中含量少，屬于稀缺元素，且價格昂貴，而CdTe中因其Cd是重金屬元素，會對環境造成嚴重的威脅。因此，基于 I 2_ I1-1V - VI4的四元化合物半導體:Cu 2ZnSnS4 (CZTS)，Cu2ZnSnSe4 (CZTSe)，和Cu2ZnSn (S1 xSex)4，由于其組成元素在自然界中豐富且無毒，可以滿足TW級生產，且其價格相對較低。再者其屬于直接帶隙P型半導體，有高的吸收系數(> 14Cm 3，帶隙可通過控制S/ (S+Se)的比例0~1來調節使其在1.0eV-l.5eV之間。并且其太陽電池其理論效率可達32.2 %，是一種有替代CdTe和Cu (In, Ga)Se2 (CIGS)的新型薄膜太陽電池材料。目前文獻報道的制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池緩沖層的的方法都是化學水浴沉積法制備，水浴法制備CdS薄膜過程中會產生大量含有有毒元素Cd的廢水，屬于環境不友好型方法，后期處理廢水過程中大大增加了成本；此外，沉積過程中用到的氨水具有高度揮發性和毒性對人類健康有害；再者，氨水的揮發將改變溶液的PH值和進而影響緩沖層的性能。且水浴法制備CdS反應過程中不能隨時控制薄膜的厚度。基于此，水浴法制備緩沖層將在今后的大規模生產中有所制約。
【發明內容】
[0003]有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題本發明采用磁控濺射制備緩沖層，不僅不會對環境造成污染，而且還節約材料，使其厚度可控，且使整個器件制備過程都真空下進行，避免了外界的污染。
[0004]本發明所涉及的一種全真空法制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池的方法按以下步驟實施:
(1)襯底清洗:將鈉鈣玻璃依次通過丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，并用氮氣吹干備用；
(2)將清洗好的鈉鈣玻璃放入磁控濺射系統里升溫至100~150°C烘烤30~60min，隨后在鈉鈣玻璃上沉積I μπι的鉬背電極薄膜然后升溫至220烘烤30min ;
(3)銅鋅錫硫預制層的制備:利用磁控濺射系統，以ZnS、Sn和CuS為靶材按照SLG/Mo/ZnS/CuS/Sn的順序進行射頻派射，沉積700~1000nm的銅鋅錫硫薄膜預制層；
(4)銅鋅錫硫薄膜吸收層的制備:將步驟3)所制備的銅鋅錫硫薄膜預制層在氮氣或氬氣保護下退火硫化處理，自然冷卻后得到銅鋅錫砸薄膜吸收層；
(5)用磁控濺射在制備好的CZTS薄膜上制備50-100nm的CdS緩沖層，隨后磁控濺射50-100nm 的本征 ZnO 和 400nm 的 Al: ZnO ； (6)接著在蒸發制備2 μπι的Ni/Al電極，最后將整個器件在快速退火爐中220°C處理20mino
[0005]本發明采用一種多元化合物單靶濺射制備銅鋅錫砸薄膜吸收層的方法中如步驟
(2)所述的所述襯底放入磁控濺射系統里升溫至100~150°C烘烤30~60min。
[0006]本發明采用一種全真空法制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池的方法中如步驟(2)沉積完I μπι的鉬背電極薄膜后升溫至220烘烤30min，以便鈉離子的擴散。
[0007]本發明采用一種全真空法制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池的方法中如步驟(3)所述的銅鋅錫砸薄膜預制層的濺射順序為SLG/ Mo/ ZnS/ CuS/ Sn，且薄膜厚度設計為700-1000nm。
[0008]本發明采用一種全真空法制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池的方法中如步驟(5)所述的用磁控濺射來制備的50-100nm的CdS緩沖層。
[0009]本發明采用一種全真空法制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池的方法中如步驟(6)所述的，整個電池器件制備完成后，將其在快速退火爐中220°C處理20min。
【附圖說明】
[0010]
圖1為實施例1和2中所制備的銅鋅錫砸薄膜吸收層的XRD圖圖2為實施例1和2中所制備的銅鋅錫砸薄膜吸收層的Raman圖圖3為實施例1和2中所制備的銅鋅錫砸薄膜吸收層的SEM圖圖4為實施例1 (a)和實施例2 (b)中所制備的CdS薄膜的XRD圖圖5為實施例1 (a)和實施例2 (b)中所制備的CdS薄膜的透射譜圖6為實施例1 (a)和實施例2 (b)的CdS薄膜SEM圖圖7為實施例1所制備的電池效率1-V圖圖8為實施例1所制備的電池效率1-V圖。
【具體實施方式】
[0011]
實施例1
(1)襯底清洗:將鈉鈣玻璃依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，并用氮氣吹干備用；
(2)將清洗好的鈉鈣玻璃放入磁控濺射系統里升溫至150°C烘烤30min，以尺寸為76.2mm*3mm的鉬靶作為靶材進行直流濺射，本底真空為5.0*10 4pa，襯底溫度為160 °C，起輝氣壓為1.6pa，功率為150W，在氬氣為1.6pa時濺射15min，隨后調節氬氣為0.3pa濺射105min，按上述要求操作在鈉鈣玻璃上得到I μ m的鉬背電極薄膜，然后升溫至220烘烤30min ；；
(3)銅鋅錫硫薄膜預置層的制備:以尺寸為76.的ZnS、Sn和CuS為革El材按照SLG/Mo/ZnS/CuS/Sn的順序進行射頻濺射，沉積700~1000nm的銅鋅錫硫薄膜預制層，本底真空為5.0*10-4pa，襯底溫度為室溫，起輝氣壓為1.6pa，功率為均為50W，工作壓強為0.3pa，按上述要求操作在步驟(2)的基礎上得到SOOnm的銅鋅錫硫薄膜預置層。
(4)銅鋅錫硫薄膜吸收層的制備:將步驟(3)所制備的銅鋅錫硫薄膜預置層與0.5克砸粉和0.02克錫粉放入石墨舟，隨后將石墨舟放入退火爐中在氮氣保護下升溫至580°C進行20min的硫化處理，自然冷卻至室溫將樣品取出得到銅鋅錫硫薄膜吸收層；
(5)用射頻磁控濺射在制備好的CZTS薄膜上制備50nm的CdS緩沖層，功率為25W，隨后射頻磁控濺射50nm的本征ZnO和400nm的Al: ZnO,功率分別為25W和50W。本底真空為5.0*10 4pa,襯底溫度為室溫，工作氣壓為0.5pa ;
(6)接著在蒸發制備2μπι的Ni/Al電極，最后將整個器件在快速退火爐中220°C處理20mino
[0012]實施例2
(1)襯底清洗:將鈉鈣玻璃依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，并用氮氣吹干備用；
(2)將清洗好的鈉鈣玻璃放入磁控濺射系統里升溫至150°C烘烤30min，以尺寸為76.2mm*3mm的鉬靶作為靶材進行直流濺射，本底真空為5.0*10 4pa，襯底溫度為160 °C，起輝氣壓為1.6pa，功率為150W，在氬氣為1.6pa時濺射15min，隨后調節氬氣為0.3pa濺射105min，按上述要求操作在鈉鈣玻璃上得到I μ m的鉬背電極薄膜，然后升溫至220烘烤30min ；；
(3)銅鋅錫硫薄膜預置層的制備:以尺寸為76.的ZnS、Sn和CuS為革El材按照SLG/Mo/ZnS/CuS/Sn的順序進行射頻濺射，沉積700~1000nm的銅鋅錫硫薄膜預制層，本底真空為5.0*10-4pa，襯底溫度為室溫，起輝氣壓為1.6pa，功率為均為50W，工作壓強為0.3pa，按上述要求操作在步驟(2)的基礎上得到SOOnm的銅鋅錫硫薄膜預置層。
(4)銅鋅錫硫薄膜吸收層的制備:將步驟(3)所制備的銅鋅錫硫薄膜預置層與0.5克砸粉和0.02克錫粉放入石墨舟，隨后將石墨舟放入退火爐中在氮氣保護下升溫至580°C進行20min的硫化處理，自然冷卻至室溫將樣品取出得到銅鋅錫硫薄膜吸收層；
(5)用射頻磁控濺射在制備好的CZTS薄膜上制備10nm的CdS緩沖層，功率為25W，隨后射頻磁控濺射50nm的本征ZnO和400nm的Al: ZnO,功率分別為25W和50W。本底真空為5.0*10 4pa,襯底溫度為室溫，工作氣壓為0.5pa ;
(6)接著在蒸發制備2μπι的Ni/Al電極，最后將整個器件在快速退火爐中220°C處理20mino
【主權項】
1.在一種全真空法制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池的方法，其特征在于，包括以下步驟: 襯底清洗:將鈉鈣玻璃依次通過丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，并用氮氣吹干備用； 將清洗好的鈉鈣玻璃放入磁控濺射系統里升溫至100~150°C烘烤30~60min，隨后在鈉鈣玻璃上沉積I μπι的鉬背電極薄膜然后升溫至220烘烤30min ; 銅鋅錫硫預制層的制備:利用磁控濺射系統，以ZnS、Sn和CuS為靶材按照SLG/Mo/ZnS/CuS/Sn的順序進行射頻派射，沉積700~1000nm的銅鋅錫硫薄膜預制層； 銅鋅錫硫薄膜吸收層的制備:將步驟3)所制備的銅鋅錫硫薄膜預制層在氮氣或氬氣保護下退火硫化處理，自然冷卻后得到銅鋅錫砸薄膜吸收層； 用磁控濺射在制備好的CZTS薄膜上制備50-1OOnm的CdS緩沖層，隨后磁控濺射50-100nm 的本征 ZnO 和 400nm 的 Al: ZnO ； 接著在蒸發制備2μπ^^Ν?/Α1電極，最后將整個器件在快速退火爐中220°C處理20mino2.如權利要求1所述的一種全真空法制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池的方法，其特征在于預置層按照SLG/Mo/ZnS/CuS/Sn的順序進行沉積。3.如權利要求1所述的一種全真空法制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池的方法，其特征在于Mo制備完畢升溫至220°C烘烤30min，以便鈉離子的擴散。4.如權利要求1所述的一種全真空法制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池的方法，其特征在于所述的用磁控濺射制備50-100nm的緩沖層CdS。5.如權利要求1所述的一種全真空法制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池的方法，其特征在于所述的整個器件完成后將其在快速退火爐中200°C處理20min。
【專利摘要】本發明公開了一種全真空法制備銅鋅錫硫薄膜太陽電池的方法，包括以下步驟：1）磁控濺射后硫化制備CZTS薄膜吸收層；2）接著在吸收層上射頻磁控濺射制備50-100nm的CdS薄膜緩沖層，隨后射頻磁控濺射50-100nm的本征ZnO和400nm的Al:ZnO；3）最后在用蒸發制備2μm的Ni/Al電極。傳統的水浴法制備CdS薄膜，主要的缺點是制備CdS薄膜過程中會產生含有有毒元素Cd的廢水，處理廢水過程中大大增加了成本，沉積過程中用到的氨水具有揮發性和毒性對人類健康有害。再者，氨水的揮發將改變溶液的pH值和進而影響緩沖層的性能。而濺射法沒有水浴法后含有Cd元素的廢水污染，對環境友好，適合在線制備薄膜電池。整個制備過程都是在高真空下進行，外來雜質對薄膜的污染幾率非常小。
【IPC分類】H01L31/18, H01L21/363
【公開號】CN105304763
【申請號】CN201510761249
【發明人】王書榮, 李志山, 蔣志, 楊敏, 劉濤, 郝瑞婷
【申請人】云南師范大學
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年11月10日