本发明专利技术公开了一种采用简单结构制备铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4）薄膜电池的方法，其特征在于采用硫化物靶和金属单质锡靶溅射制备铜锌锡硫薄膜预制层，然后对预制层进行高温硫化，将得到的铜锌锡硫薄膜用磁控溅射制备CdS薄膜，最终用蒸发法制备Ni/Al电极得到完整器件，最终获得了2.95%的光电转换效率；本发明专利技术的优点在于：（1）传统结构(SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/CdS/i‑ZnO/AZO/Al)的薄膜电池中界面较多，而简单结构(SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/CdS/Al)不存在CdS/i‑ZnO/AZO/Al之间的界面，因此大大地减小了界面复合；（2）窗口层的高带隙材料会吸收一部分高能光子，而简单结构有利于薄膜电池吸收更多的高能光子；（3）复杂结构制作成本较高，不利于工业化生产；简单结构简化了工艺步骤、降低生产成本，易于大规模生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种简单结构(SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/CdS/Al)制备铜锌锡硫薄膜太阳电池的方法，用于制备薄膜太阳电池，属于光电材料新能源
技术介绍
目前，无毒、环境友好和原材料丰富的薄膜材料成为光伏领域的研究热点。基于Cu(In，Ga)Se2(CIGS)和CdTe的薄膜太阳电池虽然已经商业化，但由于组成元素中Se和Cd有毒，而In、Ga和Te属于稀缺元素,在自然界中的含量分别为In:0.05ppm,Ga:0.04ppm,Te:0.009ppm，基于此制约着他们进一步大规模的生产。而对于新型四元化合物半导体铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4，CZTS），组成CZTS的四种元素中不仅不含有毒元素和稀贵元素，而且四种元素在自然界中的含量很丰富，Cu:50ppm,Zn:75ppm,Sn:2.2ppm,S:260ppm，相对于In、Ga和Te非常丰富，且Zn、Sn和S的价格远远低于Ga和Se等元素；CZTS具有稳定的锌黄锡矿结构，是一种Ⅰ2-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ4族p型半导体材料，它以锡和锌替代铜铟镓硒中的镓和铟，以硫替代硒而构成。作为直接带隙半导体材料CZTS的禁带宽度为1.4~1.5eV，接近单节太阳电池所需的最佳带隙宽度（1.45eV)，此外，该材料的吸收系数大于104cm-1；基于此，CZTS薄膜的太阳电池其理论效率可达32.2%，是一种有替代Cu（In,Ga）Se2(CIGS)和CdTe的新型薄膜太阳电池；目前采用的电池结构是传统的复杂结构（SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/CdS/i-ZnO/AZO/Al）,实验室获得的最高光电转换效率为9.2%；虽然该电池结构的制作工艺较为成熟，但也有一些不足的地方，比如电池中存在较多的界面，不可避免的存在较严重的界面复合；同时窗口层高带隙的材料会吸收一部分高能光子；复杂结构也使得成本增加，不利于工业化生产；鉴于此，本专利技术提出了一种简单结构制备铜锌锡硫太阳电池，该简单结构(SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/CdS/Al)制备的CZTS薄膜太阳电池,消除CdS与ZnO之间的界面，从而降低了整个电池的界面复合；而且简化了工艺步骤、降低生产成本、且易于大规模生产，有利于在薄膜太阳能电池工业中的推广与应用。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种工艺简便、成分可控、工艺流程短和可重现性好的制备方法，采用简单结构制备出效率为2.95%的Cu2ZnSnS4太阳能电池；本专利技术所涉及的一种简单结构(SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/CdS/Al)制备铜锌锡硫薄膜太阳电池的方法按以下步骤实施：（1）衬底清洗：将钠钙玻璃依次用去污粉、丙酮、酒精、去离子水超声清洗、重铬酸钾溶液浸泡30~60min，再用去离子水超声清洗浸泡过重铬酸钾溶液的钠钙玻璃，并用氮气吹干备用；（2）将清洗好的钠钙玻璃放入磁控溅射系统里，在室温不同压强下，在钠钙玻璃上沉积1μm的双层钼背电极薄膜；（3）铜锌锡硫预制层的制备：利用磁控溅射系统，按照SLG/Mo/ZnS/Sn/CuS的顺序进行射频溅射，沉积700~800nm的铜锌锡硫薄膜预制层；（4）铜锌锡硫薄膜吸收层的制备：将步骤（3）所制备的铜锌锡硫薄膜预制层在氮气或氩气保护下260℃热处理30min，随后将热处理过的预置层与硫粉一起放入石墨舟，最后将石墨舟放入硫化炉中，以20-30℃/min升温速率加热硫化炉，从室温升到560-580℃，维持20-30分钟，自然冷却至室温后得到铜锌锡硫薄膜吸收层；（5）铜锌锡硫薄膜太阳电池的制备：将步骤（4）所制备的铜锌锡硫薄膜吸收层用盐酸、溴-甲醇溶液进行刻蚀，以便除去吸收层表面ZnS和Cu2SnS3等二次相。把处理后的吸收层用磁控溅射法沉积50nm左右的CdS薄膜。接着用蒸发法制备Ni/Al电极，最后将整个器件在快速退火炉中退火；如权利要求1所述的一种简单结构(SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/CdS/Al)制备铜锌锡硫薄膜太阳电池的方法，其特征在于所述的衬底需在重铬酸钾溶液浸泡24h；如权利要求1所述的一种简单结构(SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/CdS/Al)制备铜锌锡硫薄膜太阳电池的方法，其特征在于所述的铜锌锡硫薄膜预制层中，预置层厚度设计为700~800nm；Cu、Zn和Sn摩尔原子比设计为：Cu/Zn+Sn=0.58；Zn/Sn=1.2；如权利要求1所述的一种简单结构(SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/CdS/Al)制备铜锌锡硫薄膜太阳电池的方法，其特征在于所述步骤（4）铜锌锡硫薄膜预制层在氮气或氩气保护下260℃热处理30min；如权利要求1所述的一种简单结构(SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/CdS/Al)制备铜锌锡硫薄膜太阳电池的方法，其特征在于所述步骤（4）将热处理过的预置层与硫粉一起放入石墨舟，最后将石墨舟放入硫化炉中，以20~30℃/min升温速率加热硫化炉，从室温升到560~580℃，维持8~15min，自然冷却至室温后得到铜锌锡硫薄膜吸收层；如权利要求1所述的一种简单结(SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/CdS/Al)制备铜锌锡硫薄膜太阳电池的方法，其特征在于所述步骤（5）所制备的铜锌锡硫薄膜吸收层用盐酸、溴-甲醇溶液进行刻蚀，以便除去吸收层表面ZnS和Cu2SnS3等二次相。最后将整个器件在快速退火炉中退火。附图说明图1为实施例1所制备的铜锌锡硫薄膜吸收层的XRD图图2为实施例1所制备的铜锌锡硫薄膜吸收层的Raman图图3为实施例1所制备的铜锌锡硫薄膜吸收层的SEM图图4为实施例1所制备的电池效率I-V图具体实施方式实施例1（1）衬底清洗：将钠钙玻璃依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗，并用氮气吹干备用；（2）将清洗好的钠钙玻璃放入磁控溅射系统里，以尺寸为Dia76.2mm×3mm的钼靶作为靶材进行直流溅射，本底真空为5.0×10-4pa，衬底温度为160℃，起辉气压为1.6pa，溅射功率为150W，在氩气为1.6pa时溅射15min，随后调节氩气为0.3pa溅射105min，按上述要求操作在钠钙玻璃上得到1μm的钼背电极薄膜；（3）铜锌锡硫薄膜预置层的制备：以尺寸为Dia76.2mm×3mm的ZnS、Sn和CuS为靶材按照SLG/Mo/ZnS/Sn/CuS的顺序进行射频溅射，沉积700~800nm的铜锌锡硫薄膜预制层，本底真空为5.0×10-4pa，衬底温度为室温，起辉气压为1.6pa，溅射功率为均为50W，工作压强为0.3pa，按上述要求操作在步骤（2）的基础上得到800nm的铜锌锡硫薄膜预置层；（4）铜锌锡硫薄膜吸收层的制备：将步骤（3）所制备的铜锌锡硫薄膜预置层与0.5克硫粉和0.02克锡粉放入石墨舟，随后将石墨舟放入退火炉中在氮气保护下升温至580℃进行15min的硫化处理，自然冷却至室温将样品取出得到铜锌锡硫薄膜吸收层；（5）用射频磁控溅射在制备好的CZTS薄膜上制备50nm的CdS缓冲层，功率为25W；（6）接着在蒸发制备2μm的Ni/Al电极，最后将整个器件在快速退火炉中220℃处理20min。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种简单结构(SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/CdS/Al)制备铜锌锡硫薄膜太阳电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：衬底清洗：将钠钙玻璃依次用去污粉、丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗5 min、然后重铬酸钾溶液浸泡30~60min，最后用去离子水超声清洗浸泡过重铬酸钾溶液的钠钙玻璃，并用氮气吹干备用；将清洗好的钠钙玻璃放入磁控溅射系统里，在室温不同压强下，在钠钙玻璃上沉积1μm的双层钼背电极薄膜；铜锌锡硫预制层的制备：利用磁控溅射系统，按照SLG/Mo/ZnS/ Sn/CuS的顺序进行射频溅射，沉积700~800nm的铜锌锡硫薄膜预制层；铜锌锡硫薄膜吸收层的制备：将步骤3）所制备的铜锌锡硫薄膜预制层在氮气或氩气保护下260℃热处理30min，随后将热处理过的预置层与硫粉一起放入石墨舟，最后将石墨舟放入硫化炉中，以20‑30℃ /min 升温速率加热硫化炉，从室温升到 560 ‑ 580℃，维持 20‑30 分钟，自然冷却至室温后得到铜锌锡硫薄膜吸收层；铜锌锡硫薄膜太阳电池的制备：将步骤4）所制备的铜锌锡硫薄膜吸收层用盐酸、溴‑甲醇溶液进行刻蚀，以便除去吸收层表面ZnS和Cu2SnS3等二次相；把处理后的吸收层用磁控溅射法沉积50nm左右的CdS薄膜；接着用蒸发制备Ni/Al电极，最后将整个器件在快速退火炉中退火。...
【技术特征摘要】
1.一种简单结构(SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/CdS/Al)制备铜锌锡硫薄膜太阳电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：衬底清洗：将钠钙玻璃依次用去污粉、丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗5min、然后重铬酸钾溶液浸泡30~60min，最后用去离子水超声清洗浸泡过重铬酸钾溶液的钠钙玻璃，并用氮气吹干备用；将清洗好的钠钙玻璃放入磁控溅射系统里，在室温不同压强下，在钠钙玻璃上沉积1μm的双层钼背电极薄膜；铜锌锡硫预制层的制备：利用磁控溅射系统，按照SLG/Mo/ZnS/Sn/CuS的顺序进行射频溅射，沉积700~800nm的铜锌锡硫薄膜预制层；铜锌锡硫薄膜吸收层的制备：将步骤3）所制备的铜锌锡硫薄膜预制层在氮气或氩气保护下260℃热处理30min，随后将热处理过的预置层与硫粉一起放入石墨舟，最后将石墨舟放入硫化炉中，以20-30℃/min升温速率加热硫化炉，从室温升到560-580℃，维持20-30分钟，自然冷却至室温后得到铜锌锡硫薄膜吸收层；铜锌锡硫薄膜太阳电池的制备：将步骤4）所制备的铜锌锡硫薄膜吸收层用盐酸、溴-甲醇溶液进行刻蚀，以便除去吸收层表面ZnS和Cu2SnS3等二次相；把处理后的吸收层用磁控溅射法沉积50nm左右的CdS薄膜；接着用蒸发制备Ni/Al电极，最后将整个器件在快速退火炉中退火。2.如权利要求1所述的一种简单结构(SLG/Mo/Cu2ZnSnS4/...
【专利技术属性】
技术研发人员：王书荣，陆熠磊，李志山，蒋志，杨敏，徐信，
申请(专利权)人：云南师范大学，
类型：发明
国别省市：云南;53
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