[发明专利]用于制备太阳能电池的光吸收层的金属硫族化合物纳米颗粒及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造太阳能电池光吸收层的金属硫族化合物纳米颗粒及其制造方法。

背景技术

从发展的早期阶段开始已经使用高成本的和作为半导体材料的硅形成的光吸收层来制造太阳能电池。为了更加经济地制造商业上可行的太阳能电池，已经发展了使用廉价的光吸收材料(例如，铜铟镓硫(二)硒(CIGS)或Cu(In，Ga)(S，Se)₂)的薄膜太阳能电池的结构。这样的CIGS-基太阳能电池通常包括背电极层、n型结部分和p型光吸收层。包括这样的CIGS层的太阳能电池具有大于19％的功率转换效率。然而，尽管CIGS-基薄膜太阳能电池具有潜力，但是In的成本和供应不足是使用CIGS-基光吸收层的薄膜太阳能电池的广泛的商业应用的主要障碍。因而，亟需开发不使用In或使用低成本的普遍元素的太阳能电池。

因此，作为CIGS-基光吸收层的替代物的包括极其便宜的元素铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)、硫(S)或硒(Se)的CZTS(Cu₂ZnSn(S，Se)₄)-基太阳能电池近来已经受到关注。CZTS具有约1.0eV至约1.5eV的直接带隙和10⁴cm^-1或更高的吸收系数，其蕴藏量相对高并且CZTS使用便宜的Sn和Zn。

在1996年，首次报道了CZTS异质结PV电池，但是CZTS-基太阳能电池的发展比CIGS-基太阳能电池的发展慢，并且CZTS-基太阳能电池的光电效率为10％或更低，远远低于CIGS-基太阳能电池的光电效率。CZTS的薄膜是通过溅射、混合溅射、脉冲激光沉积、喷雾热解、电沉积/热硫化、电子束加工、Cu/Zn/Sn/热硫化以及溶胶-凝胶法制造的。

另外，PCT/US/2010-035792公开了通过在基底上热处理包含CZTS/Se纳米颗粒的墨来形成薄膜。一般而言，当形成具有CZTS/Se纳米颗粒的CZTS薄膜时，由于先前形成的小晶粒而难以在薄膜的形成过程中增加晶体尺寸。此外，当每个晶粒小的情况下，界面扩展并且从而在界面处发生电子损失，并且因此效率劣化。另外，为了利用CZTS/Se纳米颗粒扩大晶粒尺寸，需要极长的热处理时间并且因而就成本和时间而言是没有效率的。

因而，优选使用被用在薄膜中的包含Cu、Zn和Sn的纳米颗粒，以及在薄膜处理期间可以转变成CZTS/Se的前驱体型颗粒，代替CZTS/Se晶体用于晶粒生长并缩短处理时间。作为前驱体，可以使用金属纳米颗粒或由金属元素和VI族元素组成的二元化合物颗粒。然而，当使用金属纳米颗粒的混合物或使用二元化合物时，颗粒或元素在墨组合物中没有均匀并且充分地混合并且因而金属纳米颗粒可以容易地被氧化，并且因此难以获得优质的CZTS/Se薄膜。

因此，亟需开发用于制造能稳定的抗氧化并且由于均匀的组分而减少缺陷的包括高效率的光吸收层的薄膜太阳能电池的技术。

发明内容

技术问题

因此，本发明已经用于解决上述问题和其他待解决的技术问题。

由于各种密集的研究和各种实验，本发明的发明人开发了包括两个或更多个相的金属硫族化合物纳米颗粒，并且确认当使用金属硫族化合物纳米颗粒制造薄膜时，通过向纳米颗粒中添加S或Se，薄膜具有完全均匀的组成并且能够抗氧化，上述两个或更多个相选自：包括含锌(Zn)硫族化合物的第一相、包括含锡(Sn)硫族化合物的第二相和包括含铜(Cu)硫族化合物的第三相。此外，发明人确认，当制造还包括金属纳米颗粒的薄膜时，由于VI族元素在硒化过程时颗粒体积扩大，并且从而生长出具有高密度的光吸收层，并且因此，增加了在最终的薄膜中的VI族元素的量，导致优质薄膜并且因而完成本发明。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供了形成太阳能电池的光吸收层的金属硫族化合物纳米颗粒，其包括选自以下的两个或更多个相：包括含锌(Zn)硫族化合物的第一相、包括含锡(Sn)硫族化合物的第二相和包括含铜(Cu)硫族化合物的第三相。