铜锌锡硫太阳能电池的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铜锌锡硫太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：在衬底层表面形成铝薄膜；在所述铝箔膜表面上形成ZnO薄膜；在所述ZnO薄膜上形成薄膜层，所述薄膜层包含铜、锌和锡；将包含所述衬底层、铝箔膜、ZnO薄膜和薄膜层的多层薄膜结构置于含硫气氛中退火处理，所述薄膜层被硫化形成铜锌锡硫薄膜层，部分所述ZnO薄膜被硫化形成ZnS缓冲层；在经过退火处理的所述薄膜层上形成背电极。

【技术实现步骤摘要】
铜锌锡硫太阳能电池的制备方法
本专利技术涉及太阳能电池领域，具体涉及一种铜锌锡硫太阳能电池的制备方法。
技术介绍
太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源，受到世界各国越来越多的重视。化合物薄膜太阳能电池以其较低的成本和较高的理论光电转化效率，成为目前研究和产业的热点。其中铜铟镓硒基太阳能电池经过近40年的发展已经逐渐从学术界走向了产业界，并获得了最高20.4％的光电转化效率，然而此类太阳能电池中的In和Ga是稀散金属、价格昂贵且储量有限，这成为该类太阳能电池进一步发展的障碍。铜锌锡硫薄膜材料以其约1.5eV的直接带隙(与太阳辐射匹配性好)、光吸收系数高、原料在地壳中储量大、成本低、效率高、无衰减和无毒等诸多优点，成为最受关注的下一代化合物薄膜太阳能电池。目前，铜锌锡硫太阳能电池的常规制备方法是在基底表面采用磁控溅射法沉积金属钼背电极，再采用蒸发或溅射金属预制层后硫化法制备铜锌锡硫吸收层，然后用化学浴或其他方法沉积CdS(硫化镉)缓冲层，最后在其表面沉积ZAO和i-ZnO窗口层，具体参见专利公开号为CN101452969A的专利文献。此外此种工艺流程需要额外增加缓冲层的沉积步骤、增加了工艺流程和成本，并且窗口层、吸收层和缓冲层存在界面不相容的问题，会产生大量的载流子复合中心，严重影响太阳能电池的光电转化效率。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种铜锌锡硫太阳能电池的制备方法，从而不需要额外增加缓冲层沉积步骤，提高了太阳能电池的生产效率。一种铜锌锡硫太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：在衬底层表面形成铝薄膜；在所述铝薄膜表面上形成ZnO薄膜；在所述ZnO薄膜上形成薄膜层，所述薄膜层包含铜、锌和锡；将包含所述衬底层、铝薄膜、ZnO薄膜和薄膜层的多层薄膜结构置于含硫气氛中退火处理，所述薄膜层被硫化形成铜锌锡硫薄膜层，部分所述ZnO薄膜被硫化形成ZnS缓冲层；在经过退火处理的所述薄膜层上形成背电极。优选地，所述薄膜层还包含硫。优选地，所述薄膜层是单层膜。优选地，所述薄膜层是多层膜，所述多层膜中的每一层膜是由所述薄膜层包含的一种物质构成。优选地，在所述退火步骤中：退火温度为200～800℃，升至所述退火温度的升温速度为0.1～200℃/s，保温时间为1～240分钟，退火炉内气压为0.00001～10atm。优选地，所述含硫气氛的硫源由硫蒸汽、硫化锡蒸汽、硫化锌蒸汽和硫化氢中的至少一种提供。优选地，所述含硫气氛的硫源由载气运输，载气选自氦气、氩气中氮气中的至少一种，气体流量为10～100000sccm。优选地，所述薄膜层中：铜原子与锌原子的摩尔比为0.1～5，铜原子与锡原子的摩尔比为0.1～5。优选地，所述铝薄膜的厚度为100～5000纳米。优选地，所述ZnO薄膜的厚度为10～5000纳米。优选地，所述薄膜层的厚度为100～5000纳米。优选地，所述背电极的厚度为100～5000纳米。优选地，所述背电极选自铝、镍、铜、金和铂中的一种或几种。优选地，通过沉积形成所述薄膜层，所述沉积采用直流磁控溅射法、真空蒸发法、化学气相沉积法、化学镀和涂覆法中的一种。与传统铜锌锡硫太阳能电池的制备方法相比，本专利技术采用倒置结构制备铜锌锡硫薄膜太阳能电池，在玻璃衬底表面沉积金属Al薄膜和ZnO薄膜，然后沉积Cu-Zn-Sn或Cu-Zn-Sn-S合金，再将上述多层膜结构进行高温退火处理，最后沉积背电极。本专利技术不用额外增加缓冲层的沉积步骤，在对多层膜结构进行高温硫化处理过程中，部分ZnO薄膜硫化形成ZnS缓冲层。与传统太阳能电池制备方法相比，本专利技术既缩短工艺流程、降低生产成本，又改善了窗口层(包括金属Al薄膜)、缓冲层和吸收层的界面相容性、提高了太阳能电池的光电转化效率。该方法制备的铜锌锡硫太阳能电池开路电压超过500mV，短路电流大于15mA/cm2，光电转化效率超过5％。【附图说明】图1是本专利技术一种实施例的铜锌锡硫太阳能电池的层构成示意图；图2是本专利技术一种实施例的ZnO薄膜的AFM(原子力显微镜)表面形貌图；图3是图2对应的XRD衍射图谱；图4是图2的ZnO薄膜的部分位置退火后的AFM表面形貌图；图5是图4对应的拉曼图谱；图6是本专利技术一种实施例的包含了Cu-Zn-Sn的薄膜层的AFM的形貌图；图7是本专利技术一种实施例的包含了Cu-Zn-Sn的薄膜层的AFM的形貌图；图8是图6对应的XRD图谱；图9是图6的包含了Cu-Zn-Sn的薄膜层退火后的AFM形貌图；图10是图6的包含了Cu-Zn-Sn的薄膜层退火后的AFM形貌图；图11是图9对应的在532nm激光下测试的拉曼图谱；图12是图9对应的在325nm激光下测试的拉曼图谱；图13是与图9对应的XRD图谱。【具体实施方式】以下对专利技术的较佳实施例作进一步详细说明。实施例1一种铜锌锡硫太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：(1)玻璃衬底表面沉积金属Al薄膜沉积方法为直流磁控溅射法，沉积的金属Al薄膜厚度为500纳米。(2)金属Al薄膜表面沉积ZnO薄膜沉积方法为射频磁控溅射法，沉积的ZnO薄膜厚度为100纳米。(3)ZnO薄膜表面沉积薄膜层，该薄膜层包含了Cu-Zn-Sn或Cu-Zn-Sn-S沉积方法为真空蒸发法，沉积的薄膜层中铜原子和锌原子的摩尔比为4.8，金属铜与金属锡的摩尔比为3.6，沉积的薄膜层厚度为5000纳米。其中，当薄膜层包含Cu、Zn和Sn时，薄膜层可以是单层膜，即Cu、Zn和Sn三者是以合金的形式形成该单层膜；薄膜层也可以是多层膜，其中的每一层膜分别有Cu、Zn或Sn构成，也就是说，是三层金属单质膜，并且，这些金属单质膜的相对顺序可以是任意的，例如Cu、Zn和Sn膜从上到下依次设置。同理，当薄膜层包含Cu、Zn、Sn和S时，薄膜层也可以是单层膜，即Cu、Zn、Sn和S四者是以合金的形式形成该单层膜；薄膜层也可以是多层膜，每层膜分别是Cu、Zn、Sn或S构成的单质膜，同样各层膜的相对顺序也是任意的。(4)高温退火处理将包含所述衬底层、铝箔膜、ZnO薄膜和薄膜层的多层薄膜结构置于含硫气氛中退火处理，退火温度为200℃，升温速度为0.1℃/s，保温时间为10分钟，退火炉内气压为10atm；采用的含硫气氛为硫蒸气，载气为氦气，气体流量为10sccm。在高温的作用下，当薄膜层为多层膜时，各层的Cu、Zn和Sn相互扩散，含硫气氛中的硫也扩散至薄膜层中的各层膜中，从而形成CZTS吸收层(铜锌锡硫吸收层)，硫气氛中的硫进一步扩散至ZnO薄膜中，导致至少部分厚度的ZnO薄膜被硫化而形成ZnS缓冲层；当薄膜层是单层膜时，含硫气氛中的硫扩散至薄膜层中，形成CZTS吸收层，硫气氛中的硫进一步扩散至ZnO薄膜中，导致至少部分厚度的ZnO薄膜被硫化而形成ZnS缓冲层。具体请参见图2，是采用磁控溅射法制备的ZnO薄膜的AFM(原子力显微镜)表面形貌图，图3是ZnO薄膜的XRD(X射线)衍射图谱，横坐标是X射线的角度，纵坐标是X射线衍射的强度，在整个反应环境中仅存在Cu、Zn、Sn、O、S、He元素的前提下，其出现的波峰002表示了其属于ZnO。图4是退火后，原ZnO薄膜的部分位置的AFM表面形貌图，图5是与图4对应的拉曼图谱，横坐标表示拉曼位移，纵坐标表示强度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜锌锡硫太阳能电池的制备方法，其特征是，包括如下步骤：在衬底层表面形成铝薄膜；在所述铝箔膜表面上形成ZnO薄膜；在所述ZnO薄膜上形成薄膜层，所述薄膜层包含铜、锌和锡；将包含所述衬底层、铝箔膜、ZnO薄膜和薄膜层的多层薄膜结构置于含硫气氛中退火处理，所述薄膜层被硫化形成铜锌锡硫薄膜层，部分所述ZnO薄膜被硫化形成ZnS缓冲层；在经过退火处理的所述薄膜层上形成背电极。

【技术特征摘要】
1.一种铜锌锡硫太阳能电池的制备方法，其特征是，包括如下步骤：在衬底层表面形成铝薄膜；在所述铝薄膜表面上形成ZnO薄膜；在所述ZnO薄膜上形成薄膜层，所述薄膜层包含铜、锌和锡；将包含所述衬底层、铝薄膜、ZnO薄膜和薄膜层的多层薄膜结构置于含硫气氛中退火处理，所述薄膜层被硫化形成铜锌锡硫薄膜层，部分所述ZnO薄膜被硫化形成ZnS缓冲层；在经过退火处理的所述薄膜层上形成背电极。2.如权利要求1所述的铜锌锡硫太阳能电池的制备方法，其特征是，所述薄膜层还包含硫。3.如权利要求1或2所述的铜锌锡硫太阳能电池的制备方法，其特征是，所述薄膜层是单层膜。4.如权利要求1或2所述的铜锌锡硫太阳能电池的制备方法，其特征是，所述薄膜层是多层膜，所述多层膜中的每一层膜是由所述薄膜层包含的一种物质构成。5.如权利要求1或2所述的铜锌锡硫太阳能电池的制备方法，其特征是，在所述退火步骤中：退火温度为200～800℃，升至所述退火温度的升温速度为0.1～200℃/s，保温时间为1～240分钟，退火炉内气压为0.00001～10atm。6.如权利要求1所述的铜锌锡硫太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述含硫气氛的硫源由硫蒸汽、硫化锡蒸汽、硫化锌蒸汽和硫化氢中的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘萍，
申请(专利权)人：深圳丹邦投资集团有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44