[发明专利]一种太阳能电池吸收层Cu2ZnSnS4薄膜的湿化学制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电材料新能源领域，具体涉及一种太阳能电池吸收层Cu₂ZnSnS₄薄膜的湿化学制备方法。

背景技术

近年来作为洁净能源的太阳能电池发展迅速。薄膜太阳能电池因具有成本低、可大规模生产、并易于集成等优点将成为太阳能电池的主要发展方向。目前太阳能电池主要采用单晶硅和真空条件下制备的薄膜材料，但由于其价格昂贵，限制了太阳能电池的进一步推广和应用。因此，开发价格低廉的光电转换材料是太阳能电池大规模生产的关键。

Cu₂ZnSnS₄（简称CZTS）具有锌黄锡矿结构，与黄铜矿结构的CIGS晶体结构相似，具有较高的光吸收系数（>10⁴cm^-1），禁带宽度约1.50eV，与太阳能电池所需要的最佳禁带宽度相匹配。而且CZTS电池采用的均为丰度较高且绿色环保的元素：Cu（50ppm）、Zn（75ppm）、Sn（2.2ppm）、S（260ppm），从而可以大大降低生产成本，且其中不含有毒成分，是一种绿色、廉价、安全、适合大规模生产的薄膜太阳能电池材料。因此，从各方面来说，CZTS电池都具有非常好的发展前景，很有希望成为未来太阳电池的主流。

CZTS的制备方法可以分为两类：第一类是以电子束沉积、磁控溅射、脉冲激光沉积等为代表的真空沉积方法。但是真空沉积方法所用设备昂贵，难以大面积成膜。原材料利用率低，在化学计量和物相上难以得到很好的重复性，导致制造成本过高；第二类是以电化学沉积、溶胶-凝胶法、纳米晶墨水涂膜法等为代表的非真空沉积方法。值得一提的是，迄今为止采用真空方法制备CZTS薄膜的电池转换效率最高值仅为8.4%，而目前CZTS薄膜太阳能电池的最高转换效率达10.1%，其CZTS吸收层薄膜的制备方法为首先采用前躯体溶液旋涂技术，再经过硒化退火处理。尽管该方法创造了CZTS基太阳能电池的最高转换效率记录，但这些记录与CZTS薄膜电池的理论转换效率32.2%相比仍然有很大的差距，更重要的是在该工艺采用有毒且安全性差的肼为溶剂，且旋涂多次才能实现1000-2000nm厚的薄膜制备。这些问题的存在，使得它们在大规模工业化方面具有一定的限制。

因而，有必要开发新的低碳、低毒型溶剂以取代有毒的肼；探索一种合适的成膜工艺，改变工艺条件促进晶粒的长大，提高薄膜的载流子迁移率，以便完善太阳能电池用CZTS薄膜的湿化学制备工艺。

发明内容

本发明目的在于提供一种工艺简单、安全无毒、成本低、适用大规模生产的太阳能电池吸收层Cu₂ZnSnS₄薄膜的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种太阳能电池吸收层Cu₂ZnSnS₄薄膜的湿化学制备方法，其特征在于按如下的步骤进行：

a）前躯体溶液制备：将含Cu、含Zn、含Sn、含S的化合物，按照Cu:Zn:Sn:S摩尔比为2:1:1:5-10，溶入乙二醇溶剂中，充分搅拌，得到透明前躯体溶液；

b）前躯体薄膜制备：将镀Mo衬底的钠钙玻璃，浸入步骤a）中所前躯体述溶液中，然后提拉出液面，然后在200℃下干燥10min，然后再接着浸渍、提拉，干燥处理，重复多次，制备出300-2000nm厚度的前躯体薄膜；

c）退火处理：将步骤b)干燥后的前躯体薄膜，进行硫化或硒化退火处理形成Cu₂ZnSnS₄薄膜。

进一步优选，其中所述步骤a）中含Cu化合物为CuCl₂·2H₂O，含Zn化合物为ZnCl₂,含Sn化合物为SnSO₄·4H₂O；所述含硫化合物为硫脲（简称TU），溶入乙二醇达到Cu²⁺摩尔浓度为0.10-0.32mol/L。

进一步优选，其中所述步骤b）中不同厚度的薄膜是指300-1000nm。

进一步优选，其中所述步骤b)中200℃下干燥是在非鼓风烘箱中完成。

进一步优选，其中所述步骤c）中硫化或硒化退火处理是指采用纯硫粉或硒粉，将炉体抽至真空度为3×10^-5Pa以下，在N₂气氛保护下进行退火处理，升温速率为3℃/min，500℃下，保持30min。