一种铜锌锡硒太阳电池器件及其制备方法技术

一种铜锌锡硒太阳电池器件及其制备方法，为基于聚酰亚胺膜‑苏打玻璃复合衬底的铜锌锡硒太阳电池，由玻璃、聚酰亚胺、钼背接触层、铜锌锡硒、硫化镉、透明窗口层高阻本征氧化锌薄膜和低阻氧化锌铝薄膜、铝上电极组成并形成叠层结构，其制备方法是：首先将聚酰亚胺胶涂于玻璃表面，固化成聚酰亚胺膜‑苏打玻璃复合衬底，然后依次在其表面依次制备各层薄膜，在完整的铜锌锡硒太阳电池制备完成后，将其与苏打玻璃衬底分离，得到以聚酰亚胺膜为衬底的柔性铜锌锡硒太阳电池。本发明专利技术的优点是：该种基于聚酰亚胺膜‑苏打玻璃复合衬底的铜锌锡硒薄膜结晶晶粒大；其制备方法是以钢性衬底制备柔性电池，易于实施，有利于大规模的推广应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及薄膜太阳电池
，特别是一种基于聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底的铜锌锡硒太阳电池器件及其制备方法。
技术介绍
随着世界经济和工业的快速发展，人类对于能源的需求量也在逐年上升。然而作为主要能源来源的不可再生化石能源储量不断地消耗减少，并且带来了严重的环境污染和生态破坏。在这样的背景下，作为新能源重要组成部分的太阳能以其可再生、无污染、应用范围广泛的优势受到了人们的广泛关注，而太阳能电的研究和利用是其中最受重视的领域。铜锌锡硒材料(CZTS)属于I-III-VI族四元化合物半导体，具有黄铜矿的晶体结构。铜锌锡硒薄膜太能电池自20世纪90年代出现以来，首先被制得，此后，得到非常迅速的发展，并将逐步实现产业化。此电池有以下特点：1)铜锌锡硒的禁带宽度约1.5eV；2)铜锌锡硒是一种直接带隙半导体，对可见光的吸收系数高达105cm-1，铜锌锡硒吸收层厚度只需1.5-2.5μm，整个电池的厚度为3-4μm；3)抗辐照能力强，比较适合作为空间电源；4)转换效率高，2014年美国IBM公司与SolarFrontier、东京应化工业及旺能光电(DelSolar)共同开发研制的小面积铜锌锡硒太阳电池转换效率已高达12.6％；5)弱光特性好；6)矿藏丰富，无毒性。因此铜锌锡硒多晶薄膜太阳电池有望成为下一代太阳电池的主流产品之一。航空航天领域需要太阳电池有较高的质量比功率，即希望单位质量的太阳电池能发出更多的电量。对于地面光伏建筑物的曲面造型和移动式的光伏电站等要求太阳电池具有柔性、可折叠性和不怕摔碰，这就促进了柔性太阳电池的发展。由于相对较强的耐高温能力和较为适合的膨胀系数，聚酰亚胺(PI)在其中脱颖而出。然而聚酰亚胺的热膨胀系数还是无法与铜锌锡硒材料本身很好的匹配。在温度较高时，聚酰亚胺会产生较大的形变，导致铜锌锡硒薄膜较为疏松，容易脱落。所以，目前基于聚酰亚胺衬底的铜锌锡硒制备时衬底温度较低。从而导致生长出的薄膜结晶质量较差、晶粒细小、缺陷较多，增加了载流子的复合，缩短了少子的寿命，进而影响了电池性能。铜锌锡硒薄膜吸收层材料的有多种制备方法，可以分为真空沉积和非真空沉积两种。在非真空方法中，目前能够实现较高效率的旋涂共还原法，以水合联氨作为还原剂，但是由于联氨具有强毒性和强腐蚀性，从安全环保的角度难于处理。另一种常用的方法是电化学沉积金属前驱物后硒化法。而在真空方法中，比较普遍采用的是溅射金属预置层后硒化处理，电化学沉积和溅射后硒化都要经过硒化过程，需要两步才能完成，工艺比较复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述存在问题，提供了一种铜锌锡硒太阳电池器件及其制备方法，该太阳电池器件为基于聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底的铜锌锡硒太阳电池，其以钢性衬底制备柔性电池，基于聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底的铜锌锡硒薄膜结晶质量好，晶粒大，缺陷少。本专利技术的技术方案：一种铜锌锡硒太阳电池器件，为基于聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底的铜锌锡硒太阳电池，由玻璃、聚酰亚胺、钼背接触层、铜锌锡硒吸收层、硫化镉缓冲层、透明窗口层高阻本征氧化锌薄膜、透明窗口层低阻氧化锌铝薄膜和银上电极组成并形成叠层结构，其中衬底由苏打玻璃及生长于其表面的聚酰亚胺膜构成，苏打玻璃的厚度为1.5-2mm，聚酰亚胺膜厚度为25-30μm；钼背接触层包括高阻层薄膜和低阻层薄膜，其中高阻层薄膜的厚度为80-120nm，低阻层薄膜的厚度为600-700nm；铜锌锡硒吸收层的化学分子式为Cu2ZnSnSe4，导电类型为p型，薄膜厚度为1.5-2μm；硫化镉缓冲层的的导电类型为n型，厚度为45-50nm；透明窗口层包括高阻本征氧化锌薄膜和低阻氧化锌铝薄膜，导电类型为n型，本征氧化锌薄膜的厚度为50-100nm，氧化锌铝薄膜的厚度为0.4-0.6μm；银上电极薄膜的厚度为0.8-1.5μm。一种所述铜锌锡硒太阳电池器件的制备方法，首先将聚酰亚胺胶涂于苏打玻璃表面，固化成聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底，其次在其表面依次制备钼背接触层、铜锌锡硒吸收层、硫化镉缓冲层、透明窗口层和上电极，在完整的铜锌锡硒太阳电池制备完成后，将其与苏打玻璃衬底分离，得到以聚酰亚胺膜为衬底的柔性铜锌锡硒太阳电池。所述聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底的制备方法，步骤如下：1)对苏打玻璃进行表面清洗，清洗方法是：首先将10cm×10cm的苏打玻璃放入重铬酸钾溶液中浸泡2h，重铬酸钾溶液由300克重铬酸钾、3升浓硫酸和300毫升去离子水配置而成，将苏打玻璃取出用去离子水冲洗后置于浓度为99.5w％的丙酮溶液中，放入超声波清洗机中清洗，超声波频率为20-30kHz，时间为20-25min，然后将苏打玻璃从丙酮溶液中取出，用去离子水冲洗后置于浓度为99.7w％的酒精中，放入超声波清洗机中清洗超声波频率为20-30kHz，时间为20-25min，最后将苏打玻璃从酒精中取出，放入盛有去离子水的烧杯中，放入超声波清洗机中清洗3遍，超声波频率为20-30kHz，时间为20-25min；2)将聚酰亚胺胶涂覆于苏打玻璃表面，采用匀胶工艺进行匀胶，工艺参数为：转速为1300-1500r/min，时间为35-45s；3)将匀胶后的样品放入烘箱内进行固化，即可得到聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底，所述固化工艺的升温保温程序为：烘箱温度升温至125-135℃，升温时间为10-15min，并在125-135℃下维持25-30min；将烘箱温度升温至150-160℃，升温时间为5-10min，并在150-160℃下维持10-15min；将烘箱温度升温至200-210℃，升温时间为5-10min，并在200-210℃下维持15-20min；将烘箱温度升温至250-260℃，升温时间为5-10min，并在250-260℃下维持15-20min；将烘箱温度升温至340-350℃，升温时间为5-10min，并在340-350℃下维持10-15min，然后缓慢降温至18-25℃，即可得到聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底。。所述钼背接触层薄膜的制备方法，采用直流磁控溅射系统制备.将待制备样品置于直流磁控溅射沉积系统的沉积室中，以纯度为99.99％的钼为靶材，采用射频磁控溅射工艺在衬底表面依次分别沉积高阻钼薄膜和低阻钼薄膜，其中：1)沉积高阻钼薄膜工艺参数为：本底真空3.0×10-4Pa，工作气压1-2Pa，衬底温度25-50℃，射频功率500-700W，Ar气流量30-50sccm，基靶行走速度4-6mm/s，沉积时间以基靶的往复次数计为2-4次；2)沉积低阻薄膜的工艺参数为：本底真空3.0×10-4Pa，工作气压为0-0.5Pa，衬底温度为室温25-50℃，射频功率为1500-2000W，Ar气流量为15-20sccm，基靶行走速度为4-6mm/s，沉积时间以基靶的往复次数计为4-6次。所述铜锌锡硒吸收层薄膜的制备方法，采用硒化炉薄膜制备系统和电沉积分步法制备工艺，步骤如下：1)分别制备硫酸铜，硫酸锌，氯化亚锡，柠檬酸，酒石酸的水溶液。2)分别制备Cu、Zn、Sn单元溶液，锡以柠檬酸为配位体，铜、锌以柠檬酸和酒石酸混合配位体，制备出稳定的单元可沉积的溶液。各溶液中组分的浓度及PH分别为：0.2M硫酸铜，1.2M柠檬酸，0.1M酒石酸，P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜锌锡硒太阳电池器件，其特征在于：为基于聚酰亚胺膜‑苏打玻璃复合衬底的铜锌锡硒太阳电池，由玻璃、聚酰亚胺、钼背接触层、铜锌锡硒吸收层、硫化镉缓冲层、透明窗口层高阻本征氧化锌薄膜、透明窗口层低阻氧化锌铝薄膜和银上电极组成并形成叠层结构，其中衬底由苏打玻璃及生长于其表面的聚酰亚胺膜构成，苏打玻璃的厚度为1.5‑2mm，聚酰亚胺膜厚度为25‑30μm；钼背接触层包括高阻层薄膜和低阻层薄膜，其中高阻层薄膜的厚度为80‑120nm，低阻层薄膜的厚度为600‑700nm；铜锌锡硒吸收层的化学分子式为Cu2ZnSnSe4，导电类型为p型，薄膜厚度为1.5‑2μm；硫化镉缓冲层的的导电类型为n型，厚度为45‑50nm；透明窗口层包括高阻本征氧化锌薄膜和低阻氧化锌铝薄膜，导电类型为n型，本征氧化锌薄膜的厚度为50‑100nm，氧化锌铝薄膜的厚度为0.4‑0.6μm；银上电极薄膜的厚度为0.8‑1.5μm。

【技术特征摘要】
1.一种铜锌锡硒太阳电池器件，其特征在于：为基于聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底的铜锌锡硒太阳电池，由玻璃、聚酰亚胺、钼背接触层、铜锌锡硒吸收层、硫化镉缓冲层、透明窗口层高阻本征氧化锌薄膜、透明窗口层低阻氧化锌铝薄膜和银上电极组成并形成叠层结构，其中衬底由苏打玻璃及生长于其表面的聚酰亚胺膜构成，苏打玻璃的厚度为1.5-2mm，聚酰亚胺膜厚度为25-30μm；钼背接触层包括高阻层薄膜和低阻层薄膜，其中高阻层薄膜的厚度为80-120nm，低阻层薄膜的厚度为600-700nm；铜锌锡硒吸收层的化学分子式为Cu2ZnSnSe4，导电类型为p型，薄膜厚度为1.5-2μm；硫化镉缓冲层的的导电类型为n型，厚度为45-50nm；透明窗口层包括高阻本征氧化锌薄膜和低阻氧化锌铝薄膜，导电类型为n型，本征氧化锌薄膜的厚度为50-100nm，氧化锌铝薄膜的厚度为0.4-0.6μm；银上电极薄膜的厚度为0.8-1.5μm。2.一种如权利要求1所述铜锌锡硒太阳电池器件的制备方法，其特征在于：首先将聚酰亚胺胶涂于苏打玻璃表面，固化成聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底，其次在其表面依次制备钼背接触层、铜锌锡硒吸收层、硫化镉缓冲层、透明窗口层和上电极，在完整的铜锌锡硒太阳电池制备完成后，将其与苏打玻璃衬底分离，得到以聚酰亚胺膜为衬底的柔性铜锌锡硒太阳电池。3.根据权利要求2所述铜锌锡硒太阳电池器件的制备方法，其特征在于：所述聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底的制备方法，步骤如下：1)对苏打玻璃进行表面清洗，清洗方法是：首先将10cm×10cm的苏打玻璃放入重铬酸钾溶液中浸泡2h，重铬酸钾溶液由300克重铬酸钾、3升浓硫酸和300毫升去离子水配置而成，将苏打玻璃取出用去离子水冲洗后置于浓度为99.5w％的丙酮溶液中，放入超声波清洗机中清洗，超声波频率为20-30kHz，时间为20-25min，然后将苏打玻璃从丙酮溶液中取出，用去离子水冲洗后置于浓度为99.7w％的酒精中，放入超声波清洗机中清洗超声波频率为20-30kHz，时间为20-25min，最后将苏打玻璃从酒精中取出，放入盛有去离子水的烧杯中，放入超声波清洗机中清洗3遍，超声波频率为20-30kHz，时间为20-25min；2)将聚酰亚胺胶涂覆于苏打玻璃表面，采用匀胶工艺进行匀胶，工艺参数为：转速为1300-1500r/min，时间为35-45s；3)将匀胶后的样品放入烘箱内进行固化，即可得到聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底，所述固化工艺的升温保温程序为：烘箱温度升温至125-135℃，升温时间为10-15min，并在125-135℃下维持25-30min；将烘箱温度升温至150-160℃，升温时间为5-10min，并在150-160℃下维持10-15min；将烘箱温度升温至200-210℃，升温时间为5-10min，并在200-210℃下维持15-20min；将烘箱温度升温至250-260℃，升温时间为5-10min，并在250-260℃下维持15-20min；将烘箱温度升温至340-350℃，升温时间为5-10min，并在340-350℃下维持10-15min，然后缓慢降温至18-25℃，即可得到聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底。4.根据权利要求2所述铜锌锡硒太阳电池器件的制备方法，其特征在于：所述钼背接触层薄膜的制备方法，采用直流磁控溅射系统制备，将待制备样品置于直流磁控溅射沉积系统的沉积室中，以纯度为99.99％的钼为靶材，采用射频磁控溅射工艺在衬底表面依次分别沉积高阻钼薄膜和低阻钼薄膜，其中：1)沉积高阻钼薄膜工艺参数为：本底真空3.0×10-1Pa，工作气压1-2Pa，衬底温度25-50℃，射频功率500-700W，Ar气流量30-50sccm，基靶行走速度4-6mm/s，沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋殿友，孙海涛，冯少君，夏丹，薛玉明，俞兵兵，张奥，王玉昆，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12