[发明专利]一种低成本黄锡矿结构铜铁锡硫薄膜及其电化学制备方法

说明书

本发明公开了一种低成本光伏电池用黄锡矿结构铜铁锡硫薄膜及其电化学制备方法，包括如下步骤：按摩尔比分别配置Cu、Sn、Fe三种金属盐溶液；采用三电极体系，在Mo衬底上依次恒电位沉积Cu、Sn、Fe三种金属叠层；用高纯氮气作保护气，在150～300℃下，对金属叠层进行退火预处理；最后，以氮气为保护气，硫粉为硫源，在500～600℃下对铜铁锡薄膜进行硫化退火，得到黄锡矿结构的Cu₂FeSnS₄薄膜。该制备方法，可以精准控制每层金属薄膜的沉积时间和沉积电位，实现Cu₂FeSnS₄薄膜组分比、晶粒大小、厚度和形貌的独立可控。该方法反应时间短，沉积温度低，操作简便，制备成本低，绿色无污染。适合光伏电池吸收层Cu₂FeSnS₄薄膜的大规模生产。

技术领域

本发明属于太阳能光伏电池用吸收层薄膜制备方法领域，涉及一种低成本黄锡矿结构Cu₂FeSnS₄薄膜及其电化学制备方法，该黄锡矿结构Cu₂FeSnS₄薄膜应用于CFTS薄膜太阳能电池吸收层。

背景技术

工业化急剧发展的今天，人们对能源的需求不断提高。伴随着传统化石能源日渐枯竭的世界级难题，能源消耗所产生的环境问题成为又一亟待解决的能源发展阻碍。太阳能电池的开发已成为解决能源和环境问题的重要途径。

在众多的太阳能电池中，CuIn_xGa_1-xS(Se)₂(CIGS)薄膜太阳能电池因具有良好的稳定性及高达10⁴cm^-1～10⁵cm^-1的吸收系数被广泛关注。然而由于In、Ga元素的稀少导致价格昂贵，而且Se元素具有毒性，这些都限制了CIGS薄膜太阳能电池的发展。具有黄锡矿结构的铜铁锡硫(Cu₂FeSnS₄，英文缩写为CFTS)是近年来发展起来的一种太阳电池吸收层薄膜材料。其禁带宽度与半导体太阳电池所要求的最佳禁带宽度(1.5eV)十分接近，并且具有较大的吸收系数(可达10⁴cm^-1)，铜铁锡硫中的元素铜、铁、锡、硫地球储量均非常丰富。另外，它不会对环境造成任何污染，不含有毒成分，已成为替代铜铟镓硒太阳电池吸收层的最佳候选材料之一。

目前Cu₂FeSnS₄吸收层材料的制备主要分为真空技术(热蒸发发、磁控溅射法等)和非真空技术(溶液法、电沉积法等)，真空技术虽然成膜质量好，但要求的设备价格高昂且复杂，使得大规模生产难以实现。因此提出一种可控性强，成本低廉，环境友好，可工业化大规模生产Cu₂FeSnS₄薄膜的制备方法，对于本领域具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种低成本、可控性强的黄锡矿结构Cu₂FeSnS₄薄膜的制备方法，通过精准控制每一层金属薄膜的沉积时间与沉积电压，实现Cu₂FeSnS₄薄膜的组分比、薄膜晶粒大小、薄膜厚度和形貌独立可控，并且，该方法制备成本低，绿色无污染，前驱体的制备在室温下即可完成，操作简便，适合Cu₂FeSnS₄薄膜的大规模生产。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种低成本黄锡矿结构铜铁锡硫薄膜及其电化学制备方法，包括以下步骤：

1)：将原料CuCl₂·2H₂O、柠檬酸三钠、酒石酸，SnCl₄·2H₂O、D-山梨醇、氢氧化钠，FeCl₂·4H₂O、抗坏血酸，分别按摩尔比称取好，配置成三种100ml金属盐溶液；