[发明专利]太阳能电池的光吸收层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光伏器件制备技术领域，特别是涉及一种太阳能电池的光吸收层的制备方法。

背景技术

具有锌黄锡矿结构的CZTS（铜锌锡硫，Cu₂ZnSnS₄）与CZTSe（铜锌锡硒，Cu₂ZnSnSe₄）的禁带宽度与半导体太阳电池的最佳禁带宽度1.5eV十分接近，其吸收系数可达到10⁴cm^-1。铜锌锡硫硒中的元素铜、锌、锡、硫和硒在地球上的储量非常丰富，价格便宜，并且都是环境友好元素，不含有毒成分，已经成为当今光伏领域研究的热点领域，有可能成为未来光伏电池的主流产品。

CZTS薄膜太阳能电池及CZTSe薄膜太阳能电池的主要制备工艺路线是在低温条件下利用磁控溅射、共蒸发、电沉积、溶液法等方法制备出金属前躯体薄膜，然后高温退火，即将该金属薄膜前驱体置于高温状态下，使金属薄膜前躯体内的原子发生化学反应、反应生成物结晶，得到多晶态的CZTS薄膜或CZTSe薄膜，即太阳能电池的光吸收层。退火之后的CZTS薄膜或CZTSe薄膜经过水浴法沉积硫化镉（CdS）、铝掺杂的氧化锌（AZO）薄膜生长、电子束蒸发制作Ni-Al电极，即为薄膜太阳能电池器件。

所谓高温退火过程，是将金属薄膜前驱体在真空中快速升温并保持温度一段时间后，再自然降温的过程。

以CZTS金属薄膜前驱体为例，CZTS金属薄膜前躯体高温退火过程逐步发生如下反应：

第一阶段，生成二元相：

Cu+S→Cu₂S；

第二阶段，二元相反应生成三元相：

Cu₂S+SnS₂→Cu₂SnS₃；

第三阶段，生成四元相：

Cu₂SnS₃+ZnS→Cu₂ZnSnS₄。

最近对二元相的研究发现，Sn和S两种元素在300℃开始形成SnS₂，在400℃时开始大量挥发，460℃时该二元相不再以固态存在，而这个温度远低于CZTS所需要的结晶温度。对四元相CZTS薄膜前驱体退火前后薄膜前躯体和晶态薄膜的组分变化通过EDS能谱分析表明，CZTS薄膜前躯体完成退火之后Sn的流失量可高达24%，且Sn元素的流失的现象不仅存在于薄膜表面，还存在于整个薄膜层内部。因此，CZTS薄膜在达到反应温度之前，Sn元素会随着SnS₂的挥发大量流失。造成的后果是，CZTS薄膜组分中Sn组分的量不易控制，影响了CZTS薄膜层的质量。

CZTSe与CZTS的性质相似，Se与S两种元素属于同族元素，其二元相SnSe₂和SnS₂的性质也相似，可与上述原理类比，CZTSe金属薄膜前躯体高温退火过程，由于SnSe₂的挥发而导致Sn大量流失，造成CZTSe薄膜组分的偏差，从而影响了CZTSe薄膜层的质量。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够抑制Sn流失的太阳能电池的光吸收层的制备方法。

一种太阳能电池的光吸收层的制备方法，包括如下步骤：

制备金属薄膜前驱体，所述金属薄膜前驱体为铜锌锡硫薄膜前驱体或铜锌锡硒薄膜前驱体；

制备层叠于所述金属薄膜前驱体上的锡覆盖层，得到层叠有锡覆盖层的金属薄膜前驱体，所述层叠有锡覆盖层的金属薄膜前驱体为层叠有锡覆盖层的铜锌锡硫薄膜前驱体或层叠有锡覆盖层的铜锌锡硒薄膜前驱体；及

在无氧条件下及硫化氢气氛中，将所述层叠有锡覆盖层的铜锌锡硫薄膜前驱体进行高温退火；或者在无氧条件下及硒气氛中，将所述层叠有锡覆盖层的铜锌锡硒薄膜前驱体进行高温退火，得到太阳能电池的光吸收层。

在其中一个实施例中，所述制备金属薄膜前驱体的步骤是采用共溅射法或共蒸发法制备金属薄膜前驱体。

在其中一个实施例中，所述制备金属薄膜前驱体的步骤是采用共溅射法将铜、硫化锌和二硫化锡溅射至衬底上，形成层叠于所述衬底上的铜锌锡硫薄膜前驱体；或采用共溅射法将铜、硒化锌和二硒化锡溅射至衬底上，形成层叠于所述衬底上的铜锌锡硒薄膜前驱体。