本发明专利技术公开一种双电势沉积后硫化退火制备三带隙锡掺杂铜镓硫太阳能电池薄膜材料的方法。该方法包括如下步骤：先将氯化铜、氯化镓、四氯化锡按顺序分别溶于去离子水中，用三电极体系进行电沉积，沉积过程采用双电势沉积获得前驱体薄膜。先用一个高电势沉积CuSn薄膜，有效避开析氢，再用一个低电势沉积，电极电位突变形成的过电势以及在高脉冲下沉积的CuSn薄膜对于Ga的诱导沉积机制都有利于提高Ga的沉积效率，然后将前驱体薄膜清洗并干燥后进行硫化退火获得锡掺杂铜镓硫薄膜。本发明专利技术所得材料性能优良，显著拓宽了其对太阳能光谱的吸收，明显增加了材料的光生电流，本发明专利技术的方法制造成本低、可重复性好和易于实现大面积的沉积。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电材料新能源
，涉及一种太阳能电池吸收层薄膜材料的电沉积制备方法，具体涉及了一种双电势电沉积再硫化退火形成三带隙锡掺杂铜镓硫太阳能电池薄膜材料的制备方法。
技术介绍
能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。煤炭、石油和天然气等传统能源经过过去多年的开采利用正在日益减少且对现在的环境问题带来很大的影响。人们迫切的需要找到一种新型的无污染可再生清洁能源来代替代替传统能源，太阳能因具有最清洁环保、取之不尽、用之不竭、安全稳定等特点而备受瞩目。发展高效率和低成本的太阳电池是光伏发电应用的关键，而实现高效率的一个途径就是提高对太阳光的吸收率。以晶体硅为基础的第一代太阳能电池效率的最高记录为25.6％(Martin A.Green,Keith Emery,Yoshihiro Hishikawa,Prog.Photovolt:Res.Appl.2015(23)1-9)，第二代薄膜太阳能电池的最高效率28.8％(Martin A.Green,Keith Emery,Yoshihiro Hishikawa,Prog.Photovolt:Res.Appl.2015(23)1-9)，与热力学第二定律计算的太阳能电池转换效率最高上限92％相差甚远。太阳能电池效率损失的一个主要原因是电池吸收光谱与太阳光谱的失配，单pn结电池只能吸收能量大于Eg的光子，相当大一部分的红外光和紫外光未被利用。太阳光谱中400nm-700nm的可见光仅占43％，而700nm-2500nm波段的红外光占52％，300nm-400nm波段的紫外光有5％。为了充分吸收太阳光谱，尽可能实现电池吸收与太阳光谱的匹配，一种多带隙半导体太阳电池模型被提出，它是一种探索全光谱利用的新型光伏电池。它在单一材料的价带、导带能隙之中引入多个中间能带，通过电子在带隙内深能级过渡跃迁来提高对各波段太阳光的利用率。可大幅提高电池长波光响应，显著提高短路电流，从而提高电池效率。多带隙电池是一个极具魅力令人向往的研究课题。研究报道三带隙电池能获得最大效率为63.2％，四带隙的太阳能效率为71.7％，当带隙数趋于无穷多时这种电池的理论转换效率上限为86.8％。掺杂CuGaS2形成多带隙太阳能电池材料已经被理论验证。C.Tablero广泛对过渡金属和Ⅳ族原子掺杂替位Cu和Ga的CGS形成自由能和电子结构进行了研究，发现在浓度合适的情况下，Ⅷ(Co,Fe,Ir,Ni,Pd,Rh,Sn)和Ⅳ族(Ge,Si)元素掺杂后能形成稳定的化合物，同时能形成中间能带(Tablero C,Fuertes Marrón D.,The Journal of Physical Chemistry C,2010,114(6):2756-2763)。上海硅酸盐研究所黄富强课题组采用机械球磨Cu2S和Ga2S3粉末的方法成功的
制备出了Sn掺杂CuGaS2三带隙太阳能电池粉末材料(Yang C,Qin M,Wang Y,et al.Scientific reports,2013,3(4):691-695)。中国专利201510130994.3公开了一种溶剂热方法制备三带隙Sn掺杂CuGaS2太阳能电池材料的方法。这几种方法都不适合制备三带隙太阳能电池薄膜。德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心采用真空共蒸发法制备了Fe掺杂CuGaS2薄膜并证实了三带隙的存在(Marsen B,Klemz S,Unold T,et al.,Progress in Photovoltaics:Research and Applications,2012,20(6):625-629.)。真空蒸发法需要在真空环境中进行，需要使用昂贵的真空设备和复杂的制备工艺，难以适用于工业化大规模生产。而电沉积法设备简单，在低温、非真空条件下就能在基底上大面积的沉积出均匀的薄膜。电沉积法可以通过改变电解液中各组分的浓度和沉积电势就能精确地控制薄膜的元素比例。由于基底是浸在电解液中进行电沉积的，因此在一些复杂表面也能高效、精确地沉积出薄膜，而且电解液可以重复利用。由于成本低廉，原料利用率高，容易实现大面积沉积等优点，电沉积技术已经越来越受到人们的普遍关注，广泛应用于工业化生产和应用。中国专利201510132102.3公开了一种在离子液体中电沉积制备三带隙的Fe掺杂CuGaS2薄膜的方法。该方法电沉积过程需要保持45～65℃高于常温的温度，且所需离子液体的配置过程比较复杂，这限制了该技术的应用范围。因此，需要探索使用成本低廉制备工艺简单的去离子水溶液做溶剂，并且实现在常温下电沉积制备具有三带隙锡掺杂CuGaS2太阳能电池薄膜材料的方法。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种简单灵活的以去离子水为溶剂，在常温下采用双电势电沉积铜镓锡(CuGaSn)前驱体薄膜后硫化退火制备具有黄铜矿结构的锡掺杂铜镓硫(CuGaS2)太阳能电池薄膜材料的方法。本专利技术的技术方案为：一种双电势沉积后硫化退火制备三带隙锡掺杂铜镓硫太阳能电池薄膜材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将氯化铜溶解在去离子水中，搅拌使其充分溶解；(2)再加入氯化镓，搅拌使其充分溶解；(3)再加入四氯化锡，搅拌使其充分溶解；(4)再加入支持电解质，搅拌得电沉积溶液；(5)以Mo玻璃为工作电极,饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，先采用一高电势对步骤(4)所得电沉积溶液进行电沉积，再采用一低电势对步骤(4)所得电沉积溶液进行电沉积，高电势控制为-0.6V～-0.8V，低电势为-1.05V～-1.15V，得到前驱体薄膜；(6)将上述得到的前驱体薄膜用去离子水和无水乙醇分别洗涤2-5次，并用保护气体吹干；(7)将步骤(6)所得的前驱体薄膜置于含有硫粉的真空或惰性保护气体中硫化退火，最后得到锡掺杂铜镓硫太阳能电池薄膜材料。进一步，所述铜离子浓度为0.0005～0.0015mol/L。进一步，所述镓离子浓度为0.01～0.02mol/L。进一步，所述锡离子浓度为0.0005～0.004mol/L。值得说明的是，上述的铜离子浓度、镓离子浓度及锡离子浓度均表示在电沉积溶液中的浓度。进一步，步骤(4)的支持电解质选自NaCl、KCl、LiCl中的一种或两种以上，且支持电解质在电沉积溶液中的浓度为0.1～1.0mol/L。进一步，步骤(5)的Mo玻璃在使用前用丙酮、乙醇、氨水中的任意两种超声清洗10～30分钟，然后要用去离子水超声波清洗10～30分钟。进一步，步骤(5)的高电势的脉冲宽度范围为40s～70s；低电势的脉冲宽度范围为1500s～2400s。进一步，步骤(5)的电沉积，温度为室温或常温(20～25℃)，搅拌速度为250～350rpm。进一步，步骤(6)的硫化退火，先将制备的前驱体薄膜和硫粉放入封闭的容器中，抽真空后通入惰性保护气体，再将退火炉升温至400～490℃并恒温1小时后快速将装有样品的容器推入退火炉中硫化退火60～120分钟，退火完成后将容器取出在空气中冷却至室温。硫化退火过程中所加硫粉的量根据理想气体方程P＝nRT/V计算，其中P是硫粉升华后的压强，V是放置前驱体薄膜和硫粉的容器的体积，n是硫粉的摩尔量，R为理想气体常数其值为8.314J本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种双电势沉积后硫化退火制备三带隙锡掺杂铜镓硫太阳能电池薄膜材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将氯化铜溶解在去离子水中，搅拌使其充分溶解；(2)再加入氯化镓，搅拌使其充分溶解；(3)再加入四氯化锡，搅拌使其充分溶解；(4)再加入支持电解质，搅拌得电沉积溶液；(5)以Mo玻璃为工作电极,饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，先采用一高电势对步骤(4)所得电沉积溶液进行电沉积，再采用一低电势对步骤(4)所得电沉积溶液进行电沉积，高电势控制为‑0.6V～‑0.8V，低电势为‑1.05V～‑1.15V，得到前驱体薄膜；(6)将上述得到的前驱体薄膜用去离子水和无水乙醇分别洗涤2‑5次，并用保护气体吹干；(7)将步骤(6)所得的前驱体薄膜置于含有硫粉的真空或惰性保护气体中硫化退火，最后得到锡掺杂的铜镓硫薄膜材料。
【技术特征摘要】
1.一种双电势沉积后硫化退火制备三带隙锡掺杂铜镓硫太阳能电池薄膜材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将氯化铜溶解在去离子水中，搅拌使其充分溶解；(2)再加入氯化镓，搅拌使其充分溶解；(3)再加入四氯化锡，搅拌使其充分溶解；(4)再加入支持电解质，搅拌得电沉积溶液；(5)以Mo玻璃为工作电极,饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，先采用一高电势对步骤(4)所得电沉积溶液进行电沉积，再采用一低电势对步骤(4)所得电沉积溶液进行电沉积，高电势控制为-0.6V～-0.8V，低电势为-1.05V～-1.15V，得到前驱体薄膜；(6)将上述得到的前驱体薄膜用去离子水和无水乙醇分别洗涤2-5次，并用保护气体吹干；(7)将步骤(6)所得的前驱体薄膜置于含有硫粉的真空或惰性保护气体中硫化退火，最后得到锡掺杂的铜镓硫薄膜材料。2.根据权利要求1所述的双电势沉积后硫化退火制备三带隙锡掺杂铜镓硫太阳能电池薄膜材料的方法，其特征在于：步骤(1)的铜离子浓度为0.0005～0.0015mol/L。3.根据权利要求1所述的双电势沉积后硫化退火制备三带隙锡掺杂铜镓硫太阳能电池薄膜材料的方法，其特征在于：步骤(2)的镓离子浓度为0.01～0.02mol/L。4.根据权利要求1所述的双电势沉积后硫化退火制备三带隙锡掺杂铜镓硫太阳能电池薄膜材料的方法，其特征在于：步骤(3)的锡离子浓度为0.0005～0.004mol/L。5.根据权利要求1所述的双电势沉积后硫化退火制备三带隙锡掺杂铜镓硫太阳能电池薄膜材料的方法，其特征在于，步骤(4)的支持电解质选自NaCl、KCl、LiCl中的一...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨穗，易捷，曹洲，黄晓攀，钟建新，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。