本发明专利技术公开了一种电沉积法制备三带隙铁掺杂铜镓硫太阳能电池材料的方法。包括如下步骤：先将氯化铜、氯化镓、氯化铁溶于离子液体中，在基底上恒电势沉积Cu、Ga、Fe预制层，然后再对预制层进行硫化退火处理，最终制备出铁掺杂铜镓硫薄膜材料。本发明专利技术选用离子液体为溶剂，可以有效避免了析氢反应对薄膜质量的不利影响，且制备工艺简单，原材料利用率高，产品成本低廉，可控性强，可重复性好，易于实现大面积、高质量薄膜的制备和大规模生产；本发明专利技术所得材料，结晶性好，表面形貌致密平整，铁元素的引入，形成的子带隙拓宽了材料对太阳能光谱的吸收，明显增加了材料的光生电流。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电材料新能源
，涉及属于第三代太阳能电池材料中一种多 带隙太阳能电池吸收层材料的制备方法，具体涉及了一种电沉积三带隙铁掺杂铜镓硫太阳 能电池材料的制备方法。
技术介绍
随着社会的发展，能源危机和环境污染越来越严重。发展清洁无污染的新能源替 代传统的化石能源将是解决这两个关乎人类生存和发展问题的最有效的方法。太阳能以 其清洁、无污染且储量巨大成为人们在新能源领域开发的重点。太阳能的开发离不开太阳 能电池的应用，太阳能电池是利用光生伏特效应，将光能转换为电能的一种装置。自从法 国科学家贝克勒尔1839年首次发现光生伏特效应以来，太阳能电池经历了漫长的发展过 程。迄今为止，太阳能电池大致经历了三代的发展，第一代是晶体硅系太阳能电池，其光电 转化效率已经超过了 25%，制备技术也比较成熟，商业化产品占领了整个太阳能电池市场 的90%以上，但是其较高的制备成本和已接近于理论效率极限的转换效率（晶体硅太阳能 电池理论效率极限在29%左右）制约了其进一步的发展。第二代为硅基薄膜，CIGS、CdTe、 GaAs等化合物薄膜，Griitze丨有机薄膜等薄膜太阳能电池，这一代太阳能电池，制备成本虽 然低于第一代太阳能电池，易于实现大面积电池的生产，但是其转换效率发展面临着瓶颈， 且不可能超出单节太阳能电池的极限效率33. 5%，而太阳能光电转换的卡诺上限是95%， 这就说明太阳能电池性能还有很大的发展空间。第三代太阳能电池是高效低耗的新型太 阳能电池，目前还处在概念和简单的实验研宄阶段，已提出的主要有叠层太阳能电池、多带 隙太阳能电池和热载流子太阳能电池等。作为第三代太阳能电池的一种，多带隙太阳能电 池以其高达86. 8 %的理论转换效率，极具诱人的研宄和开发前景。CuGaS2是一种黄铜矿 结构的直隙半导体材料，有着吸收系数高，抗干扰和辐射能力强等一系列做为太阳能电池 材料的优点。其2. 43eV左右的禁带宽度，接近三带隙太阳能电池的中间带隙基质材料的 最优值2. 41eV，可以作为理想的中间带隙太阳能电池的基质材料。相关的计算表明，VDI族 (Co, Fe, Ir, Ni, Pd, Rh, Sn)和IV族（Ge, Si)元素掺杂到CuGaS2晶格中后能够形成稳定的化 合物结构，同时也能引入中间能级，而以Fe掺杂的CuGaS 2为吸收层的三带隙太阳能电池的 理论效率可以达到47 %。 CuGaS2材料的制备方法主要有金属-有机物化学气相沉积法、真空蒸发沉积法、分 子束外延法、静电纺丝法、溶剂热法和电化学沉积法等。目前，已经成功用于制备Fe掺杂的 CuGaS2M料的方法有真空蒸发沉积法、化学气相传输法和溶剂热法等。相比其它方法，电沉 积法有着低温、非真空、低成本、高效率等特点更适合制备大面积的Fe掺杂的CuGaS 2薄膜 太阳能电池材料。除此之外，采用电沉积法，还可以通过控制沉积电压和电流、溶液组分、PH 值、温度和浓度等工艺参数精确的控制薄膜的厚度、化学组成和表面形貌。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高效率、低成本、原材料利用率高、且易于大面积沉积 的。 本专利技术实现上述目的的技术方案为： -种，其特征在于包括 以下步骤： (1)将氯化胆碱和尿素混合后真空干燥，配制成离子液体； (2)将氯化铜、氯化镓即三氯化镓和氯化铁溶解到步骤（1)所得离子液体中，得到 电沉积溶液，以Mo导电玻璃为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，采用三 电极恒电位法沉积Cu、Ga和Fe的预制层即铜镓前驱体薄膜； (3)将步骤（2)所得预制层置于含有硫粉的真空、氮气或氩气中进行热处理，最后 得到三带隙铁掺杂铜镓硫太阳能电池材料，亦可表述为三带隙铁掺杂的铜镓硫薄膜材料， 简述为铁掺杂铜镓硫薄膜。 进一步，所述的氯化胆碱和尿素的摩尔比为1 :2,真空干燥温度为80°C，时间为 8~14小时。 进一步，所述的热处理的温度为400~500°C，时间为30~90分钟。 进一步，所述的Mo导电玻璃使用前先用丙酮、乙醇、氨水中的任意两种超声清洗 10~30分钟，再用去离子水超声波清洗10~30分钟。 进一步，所述氯化铜、氯化镓和氯化铁的摩尔浓度比为0. 025~0. 035 :0. 075~ 0. 1 :0. 0003 ~0. 01。 进一步，所述步骤（2)的沉积温度为45~65°C，沉积电位为-1. 15~-I. 3Vvs. SCE，沉积时间为20~40min，沉积过程中溶液的搅拌速度为250~350rpm。 上述过程中得到的铜镓前驱体薄膜厚度为0. 5~2um，铜、镓、铁元素的原子百分 比接近或等于1 :1 :〇. 05~0. 1。 上述步骤（3)即退火过程，在退火过程中需先将制备的铜镓前驱体薄膜和一定量 的硫粉放入一端封闭的石英管中，通入惰性气体或者是抽真空后进行封管处理，再将退火 炉升温至400~500°C并恒温1~4小时，然后快速将封有样品的石英管推入退火炉中硫化 退火30~90分钟，退火完成后将石英管迅速取出在空气中冷却至室温。 为研宄所制备的材料的结构、形貌、成分以及光学性能，对所制备的样品进行了 X射线衍射分析（XRD)、扫描电子显微镜分析（SEM)、能量色散X射线光谱分析（EDS)、紫 外-可见光-近红外光谱（UV-Vis-NIR)分析和光化学电池响应测试。 按照本专利技术所公开的方法制备而成的铁掺杂铜镓硫太阳能电池的材料，对其XRD 图谱、SEM、EDS分析可知产物为纯相的黄铜矿结构的铁掺杂的铜镓硫，材料的结晶性好且形 貌分别均匀。通过对制备的样品进行UV-Vis-NIR分析，可以发现Fe元素的掺入，确实在铜 镓硫材料中引入了中间能级，使材料产生了两个子带隙。通过对铁掺杂铜镓硫样品进行光 化学电池响应测试，显示Fe掺杂之后的样品的光生电流明显要大于未掺杂的样品。 本专利技术的有益效果在于： (1)本专利技术通过电沉积法成功实现了三带隙铁掺杂铜镓硫太阳能电池材料的制 备，所制备的薄膜材料结晶性好，表面形貌致密平整，铁元素的引入，形成的子带隙拓宽了 材料对太阳能光谱的吸收，明显增加了材料的光生电流，具备了生产三带隙太阳能电池器 件的潜质。 (2)本专利技术先电沉积前驱体后硫化退火，具有工艺和设备简单、原材料利用率高、 薄膜成分可控等一系列的优点，所采用的离子溶液体系，能够有效避免水溶液体系中存在 的析氢反应对薄膜质量的不利影响，更易于实现大规模生产。【附图说明】 图1实施例1制得的铁掺杂的铜镓硫的XRD图。 图2实施例1制得的铁掺杂的铜镓硫的SEM图。 图3实施例1制得的铁掺杂的铜镓硫的EDS图。 图4实施例1制得的铁掺杂的铜镓硫的UV-Vis-NIR图谱。 图5实施例1制得的铁掺杂的铜镓硫的光化学电池响应图。【具体实施方式】 为了更好的理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的 内容不仅仅局限于下面的实施例。 实施例1 -种三带隙铁掺杂的铜镓硫薄膜材料的制备方法，包括以下步骤： (1)先后采用丙酮、乙醇和去离子水，分别超声清洗Mo导电玻璃15分钟后，再将 Mo导电玻璃放在干燥箱中80°C真空干燥30分钟。 (2)按1:2的摩尔量取氯化胆碱和尿素搅拌均匀后在真空干燥箱中80°C干燥本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电沉积法制备三带隙铁掺杂铜镓硫太阳能电池材料的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将氯化胆碱和尿素混合后真空干燥，配制成离子液体；(2)将氯化铜、氯化镓和氯化铁溶解到步骤(1)所得离子液体中，得到电沉积溶液，以Mo导电玻璃为工作电极,饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，采用三电极恒电位法沉积Cu、Ga和Fe的预制层；(3)将步骤(2)所得预制层置于含有硫粉的真空、氮气或氩气中进行热处理，最后得到三带隙铁掺杂铜镓硫太阳能电池材料。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨穗，牛广海，吕鑫鑫，曹洲，钟建新，易捷，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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