[发明专利]利用磁控溅射法在柔性衬底上制备铜锌锡硫薄膜的方法

说明书

技术领域

 本发明涉及太阳能电池吸收层材料的制备技术领域，特别涉及一种利用磁控溅射法在柔性衬底上制备铜锌锡硫薄膜的方法。

背景技术

在当代社会，能源短缺和环境污染是制约人类社会可持续发展的关键因素。太阳能具有安全可靠、取之不尽、使用过程无污染等优点，是一种理想的可再生能源，有效利用太阳能是解决能源危机和环境污染的有效途径之一。太阳能电池是将太阳能转换为电能的器件，相对于传统的单晶硅和多晶硅太阳能电池，薄膜太阳能电池具有使用原材料少、制造成本低等优点，其中铜铟镓硒（CuIn_1-xGa_xSe）薄膜太阳能电池的光电转换效率已达到20.8%，是目前转换效率最高的薄膜太阳能电池，且具有光伏性能稳定、抗辐射能力强等优点。但铜铟镓硒薄膜太阳能电池中含有稀贵元素In，该元素在地壳中含量稀少，导致价格昂贵，因此难以有效降低铜铟镓硒薄膜太阳能电池的成本。

I₂-II-IV-VI₄族化合物半导体铜锌锡硫（Cu₂ZnSnS₄，简称CZTS）薄膜是一种有望替代铜铟镓硒薄膜的新型光伏材料。CZTS薄膜的组成元素在地壳中含量丰富且无毒，CZTS薄膜是一种环境友好型半导体，有望大幅度降低太阳能电池的成本。CZTS薄膜具有对可见光的高吸收系数（10⁴cm^-1数量级），且其直接带隙（1.4-1.5eV）与太阳光谱匹配，接近单结太阳能电池吸收层的最佳带隙值。1988年，Ito和Nakazawa首次用原子束溅射法制备出CZTS薄膜，由CZTS薄膜与Cd-Sn-O透明电极构成的异质结的开路电压为165mV。目前，CZTS薄膜太阳能电池的最高转换效率已达到8.4%。

相比于传统在刚性的钠钙玻璃衬底上制备的CZTS薄膜太阳能电池，在柔性衬底上制备的CZTS薄膜太阳能电池具有材质柔软、不怕摔碰、厚度薄、质量轻、功率质量比高、易于展开、生产过程能耗小、降低原材料成本、易于实现卷对卷大面积连续生产、便于携带和运输等优点，可望扩展太阳能电池的应用领域，使其在空间应用、军事领域、建筑一体化、野外活动等领域具有广阔的应用前景，因而受到广泛的关注。目前柔性衬底CZTS薄膜太阳能电池的最高转换效率为2.42%。制备柔性衬底CZTS薄膜太阳能电池时，目前采用丝网印刷法、连续离子层吸附反应法、卷到卷印刷技术、磁控溅射法制备CZTS薄膜。采用丝网印刷法、连续离子层吸附反应法、卷到卷印刷技术的非真空法制备柔性衬底CZTS薄膜时，在薄膜制备过程中易受周围环境杂质的污染，使薄膜产生缺陷态，导致光生载流子复合损失。发明专利CN201110453334.0采用磁控溅射等方法在铜箔表面沉积锌和锡，再在硫气氛中退火处理制备CZTS薄膜，所采用的柔性衬底材料仅限制于铜箔。发明专利CN201210184793.8采用单一CZTS复合靶的磁控溅射真空法制备柔性衬底CZTS薄膜，存在难以有效控制CZTS薄膜组分的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对目前制备柔性衬底铜锌锡硫薄膜存在的问题，提供一种用金属单质靶磁控溅射法在柔性衬底上制备铜锌锡硫薄膜的方法。

本发明提供的一种利用磁控溅射法在柔性衬底上制备铜锌锡硫薄膜的方法，是在柔性衬底材料上先磁控溅射金属Cu-Zn-Sn前驱体，再进行硫化处理的方法制备铜锌锡硫薄膜，具体步骤如下：

（1）选用金属Cu、Zn和Sn靶作为溅射靶材；

（2）对柔性衬底材料进行清洗；

（3）利用磁控溅射方法，在柔性衬底上沉积金属Cu-Zn-Sn金属叠层作为铜锌锡硫薄膜的前驱体；

（4）在含硫气氛中对Cu-Zn-Sn前驱体进行硫化处理，得到柔性衬底铜锌锡硫薄膜。

所述步骤（2）中的柔性衬底材料采用高分子聚合物或金属箔片；其中高分子聚合物是聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯；金属箔片是不锈钢片、钛箔、钼箔或铝箔；用丙酮、乙醇和去离子水对柔性衬底材料进行超声清洗，再用干燥N₂吹干。