[发明专利]铜锌锡硫太阳电池薄膜的溶胶-凝胶制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电功能材料技术领域，具体是一种铜锌锡硫太阳电池薄膜的制备方法。

背景技术

近年来能源和环境维护问题越来越受到人们高度重视与关注，从而推进了太阳能电池发展，并且太阳能电池将成为未来重要替代能源。

铜锌锡硫四元化合物具有锌黄锡矿结构，其禁带宽度在1.2～1.6eV，与半导体太阳能电池所要求的最佳禁带宽度十分接近，并且其吸收系数高达10⁴cm^-1。铜锌锡硫化合物中含有的元素都是地球上储量非常丰富的，且不含有毒成分，对环境友好，已成为替代铜铟镓硒太阳能电池吸收层的最佳候选材料，有可能成为未来光伏电池的主流产品。

目前，铜锌锡硫太阳薄膜电池的最高光电转换效率已达到8.4％(B.Shin，O.Gunawan，Y.Zhu，N.A.Bojarczuk，S.J.Chey and S.Guha.Thin film solar cell with8.4％power conversion efficiency using an earth-abundant Cu₂ZnSnS₄absorber.Prog.Photovolt.：Res.Appl.2011，DOI：10.1002/pip.1174)；铜锌锡硫硒太阳薄膜电池的最高光电转换效率已达到11.1％(T.K.Todorov，J.Tang，S.Bag，O.Gunawan，T.Gokmen，Y.Zhu and D.B.Mitzi.Beyond11％efficiency：characteristics of state-of-the-art Cu₂ZnSn(S，Se)₄solar cells.Adv.Energy Mater.，2012，DOI：10.1002/aenm.201200348)，达到或接近商业化的非晶硅薄膜太阳电池的效率，而这离理论光电转换效率32％还相差太远，需不断完善和发展CZTS(铜锌锡硫)薄膜与电池组件制备技术。

目前，制备铜锌锡硫化合物的方法主要包括真空法、非真空法，其中，真空法对设备的要求高、操作复杂、制备成本高，而非真空法操作简单、组分易于调节。目前，真空法和非真空法大部分都需要后续硫化(硫化：在含有硫或硫化氢的气氛中热处理)，尤其是非真空法都需要硫化处理，因此存在环境污染问题。

本发明提出一种铜锌锡硫光电材料新的制备方法，不需要采用硫化过程，免除生产过程的污染，并且本方法对设备的要求低，可进一步降低生产成本。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种铜锌锡硫太阳电池吸收层薄膜的溶胶-凝胶制备方法，其溶剂均采用无毒或低毒有机物与水的混合物，本方法可以有效地降低制备太阳能电池吸收层的成本。

本发明铜锌锡硫太阳电池薄膜的溶胶-凝胶制备方法，包括以下：

步骤1，分别将含有铜、锌、锡、硫的化合物溶解在有机溶剂或有机溶剂与水的混合溶剂里，制成稳定的铜锌锡硫前驱体溶胶液；具体地，溶剂可以是醇或水与醇的混合溶剂。

步骤2，将制备的铜锌锡硫前驱体溶胶涂覆在基底上，并对其进行热处理，得到铜锌锡硫太阳电池吸收层薄膜。

其中，“溶胶-凝胶法”是指，用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

步骤1中，所述含有铜的化合物为硝酸铜、氯化铜、硫酸铜中的任意一种，所述含有锌的化合物为硝酸锌、氯化锌、硫酸锌中的任意一种，所述含有锡的化合物为氯化亚锡、硫酸亚锡、四氯化锡中的任意一种，所述含有硫的化合物为硫脲。

步骤1中，所含有述铜、锌、锡、硫的化合物的摩尔比为2∶(1～1.5)∶(1～1.5)∶(4～12)。

步骤1中，所述溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇中的任意一种或任意几种的混合，或乙醇、甲醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇中的任意一种或多种与水的混合。其中，水与醇的摩尔比为(0～2)∶1。

步骤1中，所述铜锌锡硫前驱体溶胶的制备温度为25～180℃。

步骤2中，所述涂覆为旋涂、浸涂、喷墨打印或丝网印刷.其中，旋涂的转速为500～6000转/分，持续10～50秒。