[发明专利]一种Cu2SixSn1-xS3光伏薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电材料新能源技术领域，涉及用作薄膜太阳电池光吸收层的一种化合物半导体薄膜——Cu₂Si_xSn_1-xS₃光伏薄膜的制备方法。

背景技术

发展太阳电池是解决日益恶化的能源危机和环境污染的有效途径。各类太阳电池中，CuIn_1-xGa_xSe₂(CIGS)薄膜太阳电池以其优良的光伏特性被认为是最重要和最具发展前景的太阳电池之一。然而，CuIn_1-xGa_xSe₂化合物中的In、Ga和Se是稀散金属，价格昂贵且储量有限。因此，探寻含高丰度元素和低成本的光吸收层薄膜材料来替代CuIn_1-xGa_xSe₂已成为摆在我们面前的重要课题。必须指出的是，为了实现太阳电池的大规模实际应用，光吸收层材料除了要求低成本、原材料已获得外，还应当具备能与CuIn_1-xGa_xSe₂相比拟的优良性能，包括：合适(1.2～1.5eV)且可调的带隙，可见光范围内较大的光吸收系数，高的电子迁移率，特别是对缺陷和晶界具有较好的电学容忍度等。

目前研究较多的替代材料是以0.5个II族(Zn)原子和0.5个IV族(Sn)原子替代1个In原子的Cu₂ZnSnS₄(CZTS)。然而，这种材料制备过程中，除了需要控制Cu/(Zn+Sn)原子配比外，更重要的是必须严格控制Zn/Sn原子配比。这是因为Zn²⁺和Sn⁴⁺不等价，材料的电学性能对Zn/Sn原子配比极为敏感，当存在十分微小的化学计量偏离时，所产生的微量第二相将使器件的转化效率迅速下降。

另一种取代方式，即采用1/3个I B族原子(Cu)和2/3个IVA族原子(Si、Ge或Sn)取代1个In原子的Cu₂MS₃(即Cu(Cu_1/3M_2/3)S₂，M为Si、Ge或Sn)的系列化合物中的Cu₂SixSn_1-xS₃(简称CSTS)则能较好的避免上述问题。由于Si⁴⁺和Sn⁴⁺是同族等价替代，不会导致剩余电荷的产生，就如同CIGS中的Ga³⁺部分替代In³⁺，不同的x取值不仅不会对材料电学性能造成明显的不利影响，反而可以调整材料的带隙宽度或形成梯度带隙，便于更充分的吸收太阳光。另外，由于Cu₂SnS₃和Cu₂SiS₃的带隙宽度分别为0.93eV和2.48eV，所以Cu₂Si_xSn_1-xS₃的带隙宽度应在0.93～2.48eV范围内，涵括了太阳电池材料的最佳带隙宽度。因此，该类材料在太阳电池中具有良好的应用前景。

目前，对于化合物薄膜，特别是硫化物半导体薄膜，一股都是采用基于热活化的技术来制备，即通过高温加热实现各组元之间的反应并形成所需的化合物薄膜，主要包括蒸发和预制层后硫化两种技术路线。其中蒸发制备的薄膜质量较高，但是该技术最大的发展瓶颈是大面积均匀性差，难以获得实际应用。预制层后硫化是先采用溅射、电镀等方法制备合金预制层，然后再对预制层进行热处理(硫化)，获得目标硫化物薄膜，这种方法易于实现薄膜的大面积制备，但存在工艺复杂、流程长、重现性不好等问题。因此，为了实现薄膜太阳电池的大规模应用，发展一步制备大面积、高质量Cu₂Si_xSn_1-xS₃薄膜的方法是必要的。

发明内容

本发明的目的是：提供一种易于一步获得大面积和高质量Cu₂Si_xSn_1-xS₃光伏薄膜的沉积技术。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：