[发明专利]一种制备高效铜铟硒和铜铟镓硒薄膜太阳能电池的方法

说明书

本发明公开了一种制备高效铜铟硒和铜铟镓硒薄膜太阳能电池的方法，预先合成铜与铟或镓的硫脲配合物，以此为原料配置前驱体溶液，用该前驱体溶液来制备CIS及CIGS薄膜太阳能电池的吸光层；通过寻找合适的铜、铟和镓的化合物作为前驱体制备前驱体溶液，以期制备大面积均匀稳定的CIS、CIGS太阳能电池吸光材料。本发明方法对原料的纯度要求较低，铜硫脲配合物用铜粉就能合成，铟和镓的配合物可以用较低纯度的InCl₃·4H₂O和GaCl₃合成，然后通过重结晶就能提纯得到高纯度的配合物，通过该方法可以节约原料成本。

技术领域

本发明属于技术领域，具体涉及一种制备高效铜铟硒和铜铟镓硒薄膜太阳能电池的方法。

背景技术

铜铟镓硒(CuInGaSe₂，CIGS)为直接带隙半导体材料，吸光能力强，光学带隙可调，稳定性好。以铜铟镓硒(CIGS)作为活性层的薄膜太阳能电池因用料少、生产能耗低以及对材料的纯度要求相对较低而成为近年来国际光伏市场发展的新趋势和新热点。经过多年的发展，目前CIGS太阳能电池的效率已与晶体硅电池相当。2017年12月，Solar Frontier公司制备的CIGS太阳能电池实验室最高转换效率达22.9％，[1]是目前已报道的薄膜太阳能电池中的最高光电转换效率。然而目前高效率的CIGS太阳能电池都是通过真空法制备的，例如共蒸发法和溅射法。真空法不仅需要复杂的设备，制备工艺复杂，而且很难控制膜的均匀性和重复性，更难以实现大面积成膜。最近几年，为了降低CIGS薄膜的生产成本，人们开始寻求非真空(溶液法)制备CIGS薄膜的方法。溶液法制备CIGS薄膜大致可以分为以下三类：(1)基于电化学原理的电沉积和电镀技术。该方法是在电子工业界得到广泛应用的成熟技术，可以实现大面积膜的制备，但是沉积CIGS这样的多组分半导体材料是一个非常复杂的过程，因为每一种元素有不同的氧化还原电势和还原动力学，为了很好地控制化学组成和相的均一性，往往需要多步沉积，工艺复杂。由该方法制备的CIGS的文献最高效率为15.4％[2]；(2)基于纳米颗粒悬浊液的印刷/涂布技术。该方法是将CIGS纳米颗粒制备成悬浊液或者将一种或多种Cu、In、Ga、S、Se元素及其二元(三元)纳米颗粒制备成悬浊液经过涂膜及后续结晶处理制备成CIGS薄膜。该方法制备的CIGS文献最高效率为17.1％[3]；(3)基于分子基前驱体溶液的印刷/涂布技术。该方法将含有Cu、In、Ga、S/Se的分子前驱体直接溶解在溶剂中制备成纯溶液，而后经过涂膜、热处理制备成高结晶度的CIGS薄膜。该方法与其他溶液法相比具有以下优势：a)精确控制各组分的化学配比；b)容易控制膜的均一性；c)制备简单，一步成膜，不需要经过纳米颗粒的合成；d)材料利用率高，理论上可以达到100％。Zhang等以肼为溶剂通过该方法制备出效率高达17.3％的CIGS电池[4]，该效率是目前由溶液法制备的CIGS薄膜电池的最高值。然而肼的易爆性和剧毒性限制了其商业应用。因此人们开始寻找肼的替代溶剂，并取得了一定的进展。Hillhouse课题组以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂制得了效率分别为14.7％的CIGS和13％的铜铟硒(CIS)太阳能电池[5]。但是以DMSO制得的前驱体溶液稳定性差且需要高温(120℃)旋涂。最近，我们课题组将硫脲、CuCl和InCl₃溶于二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中制得了能在室温下长期稳定存放的前驱体溶液，并以该前驱体溶液制备了效率为10.3％的CIS太阳能电池[6]。然而，由于InCl₃在该溶液中没有与硫脲形成配合物，这使得在薄膜制备过程中容易生成铟的氧化物且制备的薄膜均匀性较差，不利于大面积电池的制备。为此，开发新的能够制备大面积均匀稳定的CIS、CIGS半导体薄膜材料的前驱体溶液十分必要。

参考文献；