基于磁控溅射和后硒化制备太阳能电池吸收层Sb2Se3薄膜的方法技术

本发明专利技术公开一种基于磁控溅射和后硒化制备太阳能电池吸收层Sb2Se3薄膜的方法。其特征衬底为镀钼薄膜、导电玻璃、钠钙玻璃、石英玻璃以及金属箔中的一种；磁控溅射的Sb2Se3靶材，纯度为96~99.9%；将Sb2Se3靶材通过磁控溅射在氩气氛围下沉积于清洁衬底上，形成Sb2Se3前驱体薄薄膜，真空保存；将Sb2S3前驱体薄膜在硒气氛下进行硒化热处理，最终得到本方法所述的Sb2Se3薄膜。本发明专利技术采用磁控溅射Sb2Se3前驱体薄膜后在硒气氛中热处理的制备方法，具有合成薄膜成相纯净单一，制作工艺简单、安全无毒、可实现大面积生产以及厚度易控等优点。

Preparation of solar cell absorption layer based on magnetron sputtering and post selenium Sb

The invention discloses a solar cell absorption layer based on magnetron sputtering and after selenium preparation Sb

【技术实现步骤摘要】
基于磁控溅射和后硒化制备太阳能电池吸收层Sb2Se3薄膜的方法
本专利技术涉及太阳能电池材料与器件
，具体涉及的是一种磁控溅射和后硒化制备太阳能电池吸收层Sb2Se3薄膜的方法。
技术介绍
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，是国民经济的战略性资源和基础产业，是驱动生产力发展和文明进步的动力源泉。随着时代的进步，煤炭、火电供能的方式渐渐暴露出其弊端，储量有限的传统能源成为了一次性产品，温室效应、酸雨、雾霾等问题折射出环境的不可逆性及能源的稀缺性。因此，为了解决能源短缺问题和环境协调的关系，人们将目光投向了太阳辐射资源，太阳能是一种储存丰富的可再生能源，其中光伏电池提供了全新的使用太阳能资源的方法。近年来太阳能电池进入人们的视线，其发展历程由第一代的硅晶太阳能电池，第二代薄膜太阳能电池到第三代有机太阳能电池。因为化合物薄膜太阳能电池具有材料用量少、制备能耗低、弱光和高温发电性能好、产品轻质可柔性等优势,从而成为太阳能电池中的热点研究领域。相比于组分和晶格缺陷的控制过于复杂的铜锌锡硫硒(CZTSSe)太阳能电池，表面易于形成S空位导致效率降低的FeS2太阳能薄膜电池，以及易形成Sn2S3和SnS2杂相的SnS太阳能薄膜电池，Sb2Se3开始成为研究人员的关注焦点。Sb2Se3为直接跃迁半导体材料,禁带宽度为1.2eV，根据Shockley-Queisser理论计算，其单结太阳能电池理论光电转换效率能达到30%以上；其对短波长可见光的吸收系数大于105cm−1,只需要500nm薄膜就可以对入射太阳光进行充分吸收。Sb2Se3电学特性也特别理想，其相对介电常数达到15，高于CIGS(ε=13.6)和CdTe(ε=7.1)，使得缺陷的结合能相对较小，对自由电子或空穴的俘获能力低，有望降低缺陷引起的复合损失，制作高效太阳能电池。2009年，墨西哥的Messina等人首先采用直接采用CBD法制备出了Sb2SxSe3-x：Sb2O3材料，并制备成了光电效率为0.66%的太阳能电池，但由于退火时使用的硒源为化学水浴沉积的硒薄膜，退火时易挥发的硒薄膜会造成薄膜结晶性差、缺陷较多等问题，限制其电池转换效率的提高，故未受到重视（MessinaS，NairMTS,NairPK.SolarcellswithSb2S3absorberfilms[J].ThinSolidFilms,2009,517(7):2503-2507.）。2014年，韩国的Choi和西班牙Ngo课题组分别采用热分解和电沉积法基于染料敏化的概念制备了硒化锑材料类电池，效率为6.6%和2.1%（ChoiYC,MandalTN,YangWS,etal.Sb2Se3-SensitizedInorganic-OrganicHeterojunctionSolarCellsFabricatedUsingaSingle-SourcePrecursor[J].AngewandteChemie,2014,126(5):1353-1357；NgoTT,ChavhanS,KostaI,etal.ElectrodepositionofAntimonySelenideThinFilmsandApplicationinSemiconductorSensitizedSolarCells[J].ACSappliedmaterials&interfaces,2014,6(4):2836-2841.）。但这种有机无机混合的太阳能电池仍然存在着稳定差等问题。直到2014年，Zhou等人才将锑、硒单质溶在肼中，采用退火的方式制备得到纯净的硒化锑薄膜，并取得了2.26%转换效率的Sb2Se3薄膜太阳能电池（ZhouY,LengM,XiaZ,etal.Solution-ProcessedAntimonySelenideHeterojunctionSolarCells[J].AdvancedEnergyMaterials4(2014)1301846.）。同年，Chen等采用热蒸发法制备了CdS/Sb2Se3型结构的薄膜太阳能电池，效率为2.1%（ChenJ，LuoM，ZhouY，etal.ThermalEvaporationandCharacterizationofSb2Se3ThinFilmforSubstrateSb2Se3/CdSSolarCells[J].ACSAppliedMaterialsandInterface,6(2014)10687-10695.）。2015年Zhou等人采用在热蒸发基础上引入硒蒸气进行退火，最终制备成CdS/Sb2Se3型结构的太阳能电池，效率提高到5.6%，这是当前高稳定性全无机Sb2Se3薄膜太阳能电池的最高效率（ZhouY,WangL,ChenS,etal,Thin-filmSb2Se3photovoltaicswithorientedone-dimensionalribbonsandbenigngrainboundaries,NaturePhotonics9(2015)409–415.）。经对现有技术文献专利检索发现，在制备全无机平面异质结结构的Sb2Se3太阳能电池吸收层的方法中，已经有利用溶液热注法合成了Sb2Se3及Sb2(S,Se)3系列合金纳米管；热喷涂工艺制备的Sb2Se3薄膜；连续离子溶液沉积(SILAR)法在多孔TiO2基底上制备出了Sb2Se3薄膜。与上述方法相比，磁控溅射其沉积速度快、衬底温度可调；溅射薄膜与基片结合较好；溅射所获得的薄膜纯度高、致密性好、成膜均匀性好；溅射工艺可重复性好，可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜；能够精确控制镀层的厚度，同时可通过改变参数条件控制薄膜的形貌。因此，磁控溅射方法被认为是一种广泛应用于工业界镀膜的方法。结合Sb2Se3材料的优势，本专利技术专注于制备高质量的Sb2Se3太阳能薄膜，采用磁控溅射单相Sb2Se3靶材制备Sb2Se3前驱体薄膜后，再通过在硒气氛中热处理，获得均匀大面积、带隙匹配的高质量Sb2Se3薄膜。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种磁控溅射与后硒化退火相结合制备太阳能电池吸收层Sb2Se3薄膜的方法。本专利技术所采用的是在真空中磁控溅射Sb2Se3前驱体薄膜，经过硒（Se）气氛中热处理的制备方法，具有合成的Sb2Se3薄膜成相单一、工艺简单、安全无毒、制备设备不复杂、以及厚度易控等优点，适用于大规模的工业生产。为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：步骤一：选择衬底，对衬底表面进行清洗获得清洁衬底，将清洗好的清洁衬底基片放置于磁控溅射镀膜系统的磁控溅射工作室内；步骤二：将磁控溅射镀膜系统的本底抽至真空，在此真空条件下将Sb2Se3靶材溅射于步骤一所述清洁衬底上，沉积时间1～3h，形成Sb2Se3薄膜；步骤三：将步骤二所得厚度在400nm～1.2μm之间的Sb2Se3薄膜，在硒气氛下进行硒化热处理，最终得到本方法所述的Sb2Se3薄膜。本专利技术步骤一所述的衬底为镀钼薄膜、导电玻璃、钠钙玻璃、石英玻璃或者为金属箔。本专利技术步骤二所述的Sb2Se3靶材，纯度为96.00～99.99%。本专利技术步骤二所述的溅射是在0.01～0.2pa环境下进行，溅射功率30w～120w。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁控溅射和后硒化制备太阳能电池吸收层Sb

【技术特征摘要】
1.一种基于磁控溅射和后硒化制备太阳能电池吸收层Sb2Se3薄膜的方法，其特征在于：步骤一：选择衬底，对衬底表面进行清洗获得清洁衬底，将清洗好的清洁衬底基片放置于磁控溅射镀膜系统的磁控溅射工作室内；步骤二：将磁控溅射镀膜系统的本底抽至真空，在此真空条件下将Sb2Se3靶材溅射于步骤一所述清洁衬底上，沉积时间1～3h，形成Sb2Se3薄膜；步骤三：将在步骤二得到厚度在400nm～1.2μm之间的Sb2Se3薄膜，在硒气氛下进行硒化热处理，最终得到太阳能电池吸收层Sb2Se3薄膜。2.根据权利要求1所述的一种基于磁控溅射和后硒化制备太阳能电池吸收层Sb2Se3薄膜的方法，其特征在于步骤一所述的衬底为镀钼薄膜、导电玻璃、钠钙玻璃、石英玻璃或金属箔。3.根据权利要求1所述的一种基于磁控溅射和后硒化制备太阳能电池吸收层Sb2Se3薄膜的方法，其特征在于步骤二所述的Sb2Se3靶材，纯度为96.00～99.99%。4.根据权利要求1所述的一种基于磁控溅射和后硒化制备太阳能电池吸收层Sb2Se3薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈桂林，王伟煌，张碧云，陈水源，黄志高，
申请(专利权)人：福建师范大学，
类型：发明
国别省市：福建,35