[发明专利]一种溶胶-凝胶法制备大晶粒CZTS吸收层的方法

说明书

本发明公开了一种溶胶‑凝胶法制备大晶粒CZTS吸收层的方法，属于薄膜太阳电池领域。本发明通过旋涂5次制备第一前驱体薄膜，通过一次硫化，先得到较薄的第一吸收层，然后，在此基础上再旋涂5次制备第二前驱体薄膜，通过二次硫化，最终得到完整的大晶粒CZTS吸收层薄膜。结果表明，两次硫化所得薄膜结晶性好，表面致密连续，并且形成了从底部到顶部完整的大晶粒。

技术领域

本发明涉及太阳电池领域，具体涉及一种溶胶-凝胶法制备大晶粒CZTS吸收层的方法。

背景技术

由于化合物半导体薄膜太阳电池具有生产成本低并且易于实现工业化生产等优点，所以具有广泛的应用前景。铜铟镓硒（CIGS）电池在薄膜太阳能电池中单结转换效率最高，达21.7%，且长期稳定性好、对环境污染小，但所含In、Ga元素稀缺，使其大规模产业化严重受限。将In、Ga和 Se替换为无毒无污染的 Zn、Sn和S，可得到晶体结构与物性类似于CIGS的半导体材料Cu₂ZnSnS₄（CZTS）。其中CZTS为P型直接带隙半导体材料，禁带宽度为1.45eV~1.50eV，光吸收系数超过10 ⁴ cm ^-1，只需要1.5μm~2.5μm厚的材料，就可以吸收绝大多数可见光，并且相比于钙钛矿太阳电池，CZTS太阳电池的稳定性更好，采用的Cu、Zn、Sn、S元素矿藏丰富无毒，因此CZTS已经成为薄膜的太阳能电池吸收层最佳候选材料之一。

常见的制备CZTS薄膜的方法可大致分为真空法和非真空法两类。真空类制备方法包括溅射法、蒸发法等，非真空类方法包括溶胶-凝胶法、电沉积法、喷雾热解法等。其中溶胶-凝胶法不需要昂贵和复杂的真空设备和条件，而且生产成本低，实验操作简便，能够实现大面积生产，因此溶胶-凝胶法制备CZTS薄膜备受国内外科研人员关注。

目前CZTS类薄膜太阳电池的最高效率是基于无小颗粒层存在的大晶粒CZTS吸收层薄膜，溶胶-凝胶法制备的CZTS薄膜在传统的一步硫化工艺下往往呈现上下分层的现象，上层是大晶粒层，下层是尺寸非常小的纳米颗粒层的双层结构，即表面的大晶粒层和底部细小的纳米颗粒层，原因可能是硫蒸气不能完全渗透整个薄膜，反应不够完全所致，纳米颗粒层会增加薄膜的串联电阻，也会在晶界处增加电子与空穴的复合几率，降低光生载流子的寿命，进而最终影响薄膜电池的效率。

发明内容

鉴于现有制备方法存在的薄膜晶粒尺寸小、底部存在纳米颗粒层等缺陷，本发明的目的是提供一种溶胶-凝胶法制备大晶粒CZTS吸收层的方法，可以增大吸收层晶粒大小，解决薄膜底部存在碎小晶粒的问题。

实现本发明目的的技术方案是：一种溶胶-凝胶法制备大晶粒CZTS吸收层的方法，包括如下步骤：

（1）在洁净的钠钙玻璃衬底上采用直流法溅射双层结构的Mo背电极；

（2）配制前驱体溶液；

（3）以所述前驱体溶液采用旋涂法在Mo背电极上制备第一前驱体薄膜；

（4）用硫粉作为硫源，将步骤（3）所得样品在N₂环境下进行硫化处理，得到第一吸收层薄膜；

（5）再次采用旋涂法在步骤（4）所得第一吸收层薄膜制备第二前驱体薄膜；

（6）用硫粉作为硫源，将步骤（5）所得样品在N₂环境下进行退火处理，得到所述的大晶粒CZTS吸收层。

进一步的，步骤（1）中，双层结构的Mo背电极包括高阻层和低阻层Mo薄膜，通过如下步骤制备：在洁净的钠钙玻璃衬底上溅射高阻层Mo薄膜，溅射功率为200W，工作气压为1.2Pa，溅射时间为15min；接着溅射低阻层Mo薄膜，溅射功率为200W，工作气压为0.3Pa，溅射时间为100min。