[发明专利]CZTS/Se前体油墨及用于制备CZTS/Se薄膜和基于CZTS/Se的光伏电池的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请根据35U.S.C.119(e)，要求2009年11月25日提交的美国临时申请61/264362的优先权，该临时申请作为本文的一部分全文并入本文中。

发明领域

本发明涉及可用作铜锌锡硫属元素化物前体油墨的涂覆的二元和三元硫属元素化物纳米颗粒组合物。此外，本发明提供用于制造铜锌锡硫属元素化物薄膜及掺入了此类薄膜的光伏电池的方法。

发明背景

薄膜光伏电池通常利用诸如CdTe或铜铟镓硫化物/硒化物（CIGS）的半导体作为能量吸收材料。由于铟的可获得性有限，正在寻求CIGS的可供选择的替代方案。锌黄锡矿（Cu₂ZnSnS₄或“CZTS”）拥有1.5eV的带隙能量和大的吸收系数（大约10⁴cm^-1），使得它有希望成为CIGS的替代物。此外，CZTS仅仅包含无毒且丰富的元素。

当前制备CZTS薄膜的技术（例如热蒸发、溅射、混合溅射、脉冲激光沉积和电子束蒸发）需要复杂的设备，因此趋于昂贵。电化学沉积工艺成本较低，但是组成的不均匀性和/或二次相的存在阻碍该方法生成高质量的CZTS薄膜。CZTS薄膜也可通过溶液喷雾热解制得，所述溶液包含金属盐和作为硫源的硫脲，所述金属盐通常为CuCl、ZnCl₂、SnCl₄。该方法趋于制得具有较差形态、密度和晶粒尺寸的薄膜。光化学沉积也显示生成p-型CZTS薄膜。然而，产品的组成不易控制，并且难以避免生成杂质如氢氧化物。可制备季化CZTS前体粉末并将其通过标准印刷技术沉积在基底上。随后在氮和硫气氛中的退火导致CZTS薄膜的形成。然而，难以控制CZTS粉末中元素的摩尔比，这将限制CZTS薄膜的最终性能。

也已公开了由未涂覆的二元和三元硫化物形成锌黄锡矿。

然而，仍需要一种能够以低成本提供高质量CZTS薄膜的方法。

附图简述

图1示出了如实施例20所述由在富硫气氛中退火的旋涂Cu₂SnS₃和ZnS前体形成的CZTS的X射线衍射图案。

图2示出了如实施例26所述而制备的太阳能电池的J-V曲线。

图3示出了如实施例27所述而制备的太阳能电池的J-V曲线。

图4示出了如实施例28所述而制备的太阳能电池的J-V曲线。

发明详述

本发明的一个方面提供可用作铜锌锡硫属元素化物前体油墨的纳米颗粒组合物。所述纳米颗粒组合物包括二元和/或三元硫属元素化物的混合物。

本发明的另一方面提供包括基底和涂层的涂覆的基底，所述涂层包括含有二元和/或三元硫属元素化物的混合物的一个或多个层。

本发明的另一方面提供了利用铜锌硫属元素化物前体油墨制造铜锌锡硫属元素化物薄膜的方法。铜锌锡硫属元素化物薄膜可用作薄膜光伏电池的吸收器。

本发明的另一方面提供了利用CZTS、CZTSe或CZTS/Se前体油墨制备薄膜光伏电池的方法。

除非另外特定指明，本文术语“太阳能电池”和“光伏电池”是同义的。这些术语涉及使用半导体将可见光能和近可见光能转化成可用电能的装置。

如本文所用，术语“硫属元素”是指第16族元素，而术语“金属硫属元素化物”或“硫属元素化物”是指包含金属和第16族元素的物质。合适的第16族元素包括硫和硒。