[发明专利]Cu2ZnSnS4/a-Si异质结太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于Cu₂ZnSnS₄(CZTS)的Cu₂ZnSnS₄/α-Si异质结太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池器件新材料与新结构技术领域。 

背景技术

全球性的能源短缺、环境污染、气候变暖正日益严重地困扰着人类社会。寻求绿色替代能源，实现可持续发展，已成为世界各国共同面临的课题。从长远来看，可再生能源将是未来人类的主要能源来源。在新发展的可再生能源的利用中，太阳能电池最具潜力。 

但是介于全世界硅材料的短缺和高昂的制备成本，薄膜太阳能电池引起了人们的广泛关注，近几年成为了科技工作者的研究重心。薄膜太阳能电池分为硅基薄膜太阳能电池和化合物薄膜太阳能电池，为了开拓新型高效太阳电池材料和进一步降低电池成本，化合物薄膜电池得到了前所未有的重视并且取得了长足的发展。作为化合物薄膜电池的代表，CIGS(铜铟稼硒)薄膜太阳能电池的效率截止2010年底已经达到了20.3％，非常有机会取代硅基薄膜电池成为下一代太阳能电池。但是In、Se的毒性和Ga的高昂成本却严重制约着CIGS的发展，为了寻找一种无毒廉价且高效的太阳能电池材料，人们经过了不懈的努力和探索。2010年，美国IBM公司运用Zn和Sn取代了CIGS中的In和Ga得到的Cu₂ZnSnSe₄电池效率达到了9.6％，引起了全世界的关注。元素Zn和Sn的地球储量极为丰富且无毒性，所以这种4元的铜锌锡硒(硫)电池有着很好的应用前景和巨大的商业价值，相信经过全世界科研者的不懈努力CZTS电池效率必将取得长足的进步。相信不久的将来，这种无毒廉价的CZTS薄膜电池必将取代CIGS薄膜电池成为化合物电池的典范。 

目前，国外的一些科研小组在CZTS电池领域取得了一些进展。主要概括为CZTS与CdS的异质结电池，但是Cd具有毒性，所以这种电池有一定的环境污染。国内CZTS太阳能电池的报道目前几乎没有。 

发明内容

本发明的目的在于用无毒的α-Si取代CdS与Cu₂ZnSnS₄形成真正意义上的环境友好型异质结太阳能电池及其制备方法。 

一种Cu₂ZnSnS₄/α-Si异质结太阳能电池包括2种结构。 

第一种结构为由p型层、i型层和n型层构成异质p-i-n结，其中p型层为CZTS，其特征在于：i型层和n型层都为α-Si，n型层上还沉积有透明导电电极。 

第二种结构为由p型层和n型层构成异质p-n结，其中p型层为CZTS，其特征在于：n型层为α-Si，n型层上还沉积有透明导电电极。 

上述Cu₂ZnSnS₄/α-Si异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤： 

步骤1、对衬底进行清洗，具中衬底选择FTO玻璃或金属薄片或金属镀膜的玻璃衬底； 

步骤2、CZTS薄膜的制备：利用磁控溅射金属多层膜预置层后续硫化法制备p型CZTS薄膜； 

步骤3、α-Si薄膜的制备：用热丝CVD法制备n型a-Si薄膜或者i型a-Si薄膜/n型a-Si薄膜双层膜； 

步骤4、利用磁控溅射法制备透明导电电极。 

本发明概括为多层金属膜后续硫化形成的p型导电的Cu₂ZnSnS₄与n型导电的非晶硅薄膜形成的异质结电池。其中Cu₂ZnSnS₄薄膜为电池主要的吸收层，非晶硅薄膜作为电池的发射极。具体而言，采用磁控溅射法在FTO或者镀有金属薄层的玻璃衬底上依次溅射Zn，Sn和Cu膜，置于管式炉中硫化，然后利用热丝化学气相沉积法(热丝CVD)生长非晶硅薄膜，最后用磁控溅射法制备透明导电薄膜作为上电极。这套方法相对现有技术的有益效果是利用金属前躯体后续硫化的方法制备CZTS薄膜稳定性较好，薄膜成分和化学计量比容易控制且适合大面积生产，生产成本低廉；其次选择无毒廉价的非晶硅取代有毒的CdS作为发射极与CZTS形成的异质结太阳电池是真正意义上的结构创新和环境友好型廉价太阳电池，具有广阔的应用前景和很大的商业价值。 

附图说明