[发明专利]一种镉掺杂的铜锌锡硫硒薄膜制备方法及其在太阳能电池中的应用

说明书

本发明公开一种镉掺杂的铜锌锡硫硒薄膜制备方法及其在太阳能电池中的应用。本发明基于有机溶剂的溶液法制备铜锌锡硫前驱体，在前驱体薄膜上通过真空工艺制备一层金属或金属化合物，再在薄膜上化学水浴法沉积一层CdS，再经过高温退火冷却就可以制备得到镉掺杂的铜锌锡硫硒薄膜，该方法制备的镉掺杂的铜锌锡硫硒薄膜晶粒尺寸大，无二次相，基于该镉掺杂的铜锌锡硫硒薄膜制备的太阳能电池短路电流密度提升明显，光电转换效率高。

技术领域

本发明属于薄膜太阳能电池材料领域，具体涉及一种镉掺杂的铜锌锡硫硒薄膜制备方法及其在太阳能电池中的应用。

背景技术

自21世纪以来，不可再生能源短缺和地球污染一直是人们关注的主要问题。为了满足不断增长的高能源需求水平，必须使用可再生能源。与传统的不可再生能源相比，使用可再生能源还具有无污染的额外优势。太阳能是一种经济高效的资源，因为它取之不尽，而且相对无污染。光伏(PV)系统由于能够将太阳光直接转化为电能而受到欢迎。由于没有任何机械运动，光伏系统寿命长，维护成本非常低。如今，硅基光伏技术主导着太阳能市场。最好的晶体硅太阳能电池的效率超过了27％，而最好的薄膜太阳能电池的效率也超过了20％。CdTe和Cu(In,Ga)Se₂(CIGS)等薄膜技术使用直接带隙化合物半导体。另一种薄膜技术是Cu₂SnZnS₄(CZTS)，它比CIGS更环保，而且可用性更高。CZTSSe薄膜具有(1.0-1.5)eV的可调带隙和高吸收系数(10⁴cm^-1)，因此被认为是一种优良的光伏材料。

从1988年CZTS材料被首次应用到太阳能电池，到2014年的前世界效率记录12.6％，再到2021年新世界效率纪录13.0％，CZTSSe太阳能电池持续进步发展，虽然研究者们在CZTSSe太阳能电池领域已经取得了一定的成绩，但是距离其他新型太阳能电池的效率还有一定差距，CZTSSe材料受制于缺陷、界面、二次相等因素，研究者们正在积极寻求新的突破。

发明内容

本发明的目的是提供一种镉掺杂的铜锌锡硫硒薄膜制备方法及其在太阳能电池中的应用，以解决现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供的一种镉掺杂的铜锌锡硫硒薄膜制备方法，包括以下步骤：

(1)配置铜盐、锌盐、锡盐、硫脲与有机溶剂混合的溶胶凝胶溶液；

(2)将溶胶凝胶溶液通过非真空工艺于镀Mo的钠钙玻璃衬底之上制备出前驱体薄膜；

(3)通过真空工艺于步骤(2)制备的薄膜上沉积一层5-50nm金属或金属硫化物或金属硒化物；

(4)通过化学水浴法在步骤(3)制备的薄膜上沉积一层10-100nm的CdS，得到预制层薄膜；

(5)将步骤(4)的预制层薄膜置于盛有硒粉或者硫粉的石墨盒，于400-600℃高温下进行退火处理5-30min，自然冷却后得到镉掺杂的铜锌锡硫硒薄膜。

优选地，步骤(1)中铜盐为二价铜化合物，包括CuCl₂或Cu(CH₃COO)₂；锌盐包括ZnCl₂或Zn(CH₃COO)₂；锡盐为二价锡化合物，包括SnCl₂或Sn(CH₃COO)₂。

优选地，步骤(1)中有机溶剂包括乙二醇单甲醚、N,N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜。

优选地，步骤(1)中金属元素比例为0.6≤Cu/(Zn+Sn)≤1.0，1.0≤Zn/Sn≤1.3，4.0≤S/Zn≤8.0。

优选地，步骤(2)中非真空工艺包括旋转涂布法、丝网印刷法或提拉法。