[发明专利]一种具有循环类量子阱结构的铜锌锡硫基薄膜前驱体及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有循环类量子阱结构的铜锌锡硫基薄膜前驱体及其制备方法，该制备方法包括：利用天平对生长前后的衬底质量进行精确称量，并通过摩尔质量换算得到相应前驱体生长源物质的量，以获取生长源的生长速率、成膜厚度和生长时间之间的关系，然后通过控制生长时间来控制各前驱体生长源元素的配比，进而根据生长时间的划分，对铜锌锡硫基薄膜的前驱体进行类量子阱式生长；还包括采用具有高本底真空、生长速率稳定以及可重复性高特点的磁控溅射、热蒸发或电子束蒸发的生长方法。基于上述制备方法，本发明可对薄膜及其前驱体的组成成分及元素配比进行精确调控，解决了现有铜锌锡硫基薄膜的整体元素配比失衡的技术问题。

技术领域

本发明属于半导体光伏器件技术领域，具体涉及一种具有循环类量子阱结 构的铜锌锡硫基薄膜前驱体及其制备方法。

背景技术

可再生能源与互联网技术的结合是第三次工业革命的助推剂，从发展趋势 来看，风能、太阳能及生物质能等可再生能源在2050年有望取代化石能源；而 未来十年、二十年仍将是重要的能源发展转型期，太阳能作为一项绿色可再生 能源则有望成为其中的生力军。经过10多年的努力，我国的光伏产业已经成为 具有国际竞争力的战略性新兴产业之一。

目前，规模化产业应用的太阳电池包括硅基太阳电池、化合物薄膜太阳电 池、III-V族太阳电池等，而处于实验室阶段的新型太阳电池主要有钙钛矿、有 机太阳电池等；其中，化合物薄膜太阳电池凭借其吸收系数高、材料消耗少、 可柔性化等特点，具有良好的发展前景。在化合物薄膜太阳电池材料中，目前 技术较成熟的吸收层材料有铜铟镓硒(CIGS)和碲化镉(CdTe)，但由于这两 种材料中含稀缺元素(In和Te)限制了其长期大规模化生产。因此，原材料丰 富、环境友好、生产成本低、光伏性能优异的铜锌锡硫基薄膜太阳电池(CZTSSe 太阳电池)成为了今后最具应用潜力的新型太阳电池之一。铜锌锡硫基薄膜的 结构是由CIGS材料所具有的黄铜矿结构(chalcopyrite)衍生而来的黝锡矿结构(kesterite)。因此，铜锌锡硫基薄膜与CIGS薄膜具有相似的结构与材料性能， 其禁带宽度在1.0～1.5eV内随着S与Se含量的变化而连续可调，理论上是非 常适合作为薄膜太阳电池吸收层的材料。其直接带隙的结构，使得其光吸收系 数较高(约10⁴～10⁵cm^-1)，只需要1～2μm厚度的薄膜即可完成对大部分太阳 光辐射的吸收，能够大量节约材料成本；同时其组成元素在地球上的储量丰富， 能够满足长期开发的需求，具有较大的应用前景。

作为一种新型的太阳电池材料，CZTSSe太阳电池目前还处于实验室研究阶 段，其光电转化效率最高达到12.6％，这一效率已停滞了数年，与技术已经较为 成熟的CIGS太阳电池(实验室最高效率达23.35％)相比，仍存在较大的差距。 这一差距很大程度上源于铜锌锡硫基薄膜材料本身与CIGS薄膜材料的差异，其 中一个很重要的原因是铜锌锡硫基薄膜材料对于其元素比例非常敏感，其稳定 存在的单相区很窄，在实际的生长过程中，需要进行高温硒化或者硫化，极易 造成Sn和Zn元素流失，或是出现局部元素失配的问题，极易引入Cu₂S(Se)、 ZnS(Se)、SnS(Se)₂等二次相。这些二次相导致太阳电池的器件性能会有不同程 度的损害：其中部分导电性较好、窄带隙(如Cu₂S(Se))的二次相由于自身较 高的载流子浓度，容易形成内部体漏电流从而降低电池的工作电压；而宽带隙 (如ZnS(Se)、SnS(Se)₂)的二次相则可能成为材料内部的复合中心；大量的二 次相还易形成绝缘层或二级二极管，导致材料的串联电阻增大，使得光生电子- 空穴对难以导出，从而降低了电池的输出电流。因此，根据元素流失的量，对 铜锌锡硫基薄膜前驱体进行精确控制元素比例并进行类量子阱式生长，进而控 制薄膜成分、均匀性及二次相的形成，具有重要的应用价值。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种具有 循环类量子阱结构的铜锌锡硫基薄膜前驱体及其制备方法。

为达到其目的，本发明所采用的技术方案为：