[发明专利]制备高效CZTS太阳能电池的前驱体溶液及其电池制备与应用

说明书

本发明公开了一种制备高效CZTS太阳能电池的前驱体溶液及其制备与应用，由二甲基亚砜(DMSO)、硫脲及前驱体化合物混合组成，所述前驱体化合物包括一价铜化合物、四价锡化合物和二价锌化合物；以DMSO为溶剂，将硫脲、一价铜化合物、四价锡化合物和二价锌化合物溶解在DMSO中制备得到澄清透明的前驱体溶液。本发明通过使用一价铜化合物和四价锡化合物配制前驱体溶液来制备高质量、无杂质相的CZTS吸光材料，提高了CZTS薄膜太阳能电池的光电转化效率。

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种制备高效CZTS太阳能电池的前驱体溶液及其电池制备方法与应用。

背景技术

过去几十年中，以碲化镉(CdTe)¹和铜铟镓硒(CIGS)²为吸光层材料的薄膜太阳电池得到快速发展，已经实现了商业化生产。目前碲化镉薄膜太阳能电池在实验室获得的最高光电转换效率达到22.1％³，铜铟镓硒电池达22.6％⁴，均已超过了多晶硅电池的效率。持续增长的光电转换效率使得化合物薄膜太阳能电池可望与晶硅太阳能电池相竞争。但是，Cd元素的剧毒性，In、Ga、Te元素的资源稀缺性，制约了基于这些薄膜材料的光伏器件的大规模产业化。因此，寻找安全环保、原料储量丰富的半导体材料作为太阳能电池的吸光层成为该领域的研究热点。

铜锌锡硫(Cu₂ZnSnS₄，CZTS)、铜锌锡硒(Cu₂ZnSnSe₄，CZTSe)以及铜锌锡硫硒(Cu₂ZnSn(S,Se)₄，CZTSSe)(以上三种简称CZTS)与薄膜太阳能电池领域表现出色的黄铜矿结构的铜铟镓硒(CIGS)材料具有相似的晶体结构和光学带隙，具有较高的理论转化效率(32.3％)，同时它们的原料地球储藏极其丰富，价格低廉，安全无毒，因此近年来备受国内外研究者关注。和铜铟镓硒一样，铜锌锡硫材料属于直接带隙半导体材料，光学吸收系数达3*10⁴，而且其光学带隙可以通过调整Cu₂ZnSn(S_x,Se_1-x)₄中Se的含量(x＝0～1)在1.0～1.5eV之间任意调控，与太阳能电池材料的最佳光学带隙区间相匹配，是理想的太阳能电池吸光材料。以上特点决定了铜锌锡硫是最有望取代铜铟镓硒的新型低成本光伏材料。

CZTS膜层材料的制备方法主要有以下两大类。一、真空法。主要包括磁控溅射法、真空热蒸发法和脉冲激光沉积法。真空法具有制备的薄膜质量高、薄膜中各化学元素配比易于调节等优点，目前通过该方法制备的铜锌锡硫太阳能电池最高效率为11.6％⁵。但真空法以高真空环境为实验基础，膜层制备过程能耗高，材料利用率低，且无法满足大面积成膜。二、非真空法。主要包括电化学沉积法⁶，溶胶凝胶法⁷，喷雾热解法⁸，联氨溶液法⁹，纳米粒子“油墨”前驱体法¹⁰等。与真空法相比，非真空法不需要真空操作和高温处理，能耗较低，可用于大面积和基于柔性衬底的薄膜沉积，同时非真空制备法还具备提高材料利用率和低温加工等优点。