薄膜太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于无机非金属材料科学和光电薄膜与器件制造领域，具体公开了一种薄膜太阳能电池及其制备方法，薄膜太阳能电池的结构为：FTO/CdS/Sb2S3(Se)/缓冲层/金属电极，其中缓冲层为p型过渡金属氧化物，包括但不限于WO3，MoO3，NiO，CoO等，金属电极为高功函数金属包括但不限于Ag，Au，Pt等，制备步骤包括：(1)基片清洗；(2)CdS薄膜沉积；(3)Sb2S3(Se)薄膜制备；(4)缓冲层和金属电极沉积；本发明专利技术的目的在于提供一种基于新材料、新结构的Sb2S3(Se)薄膜太阳能电池，及一种生产与设备简单，成本低廉，能制备大面积Sb2S3(Se)薄膜及其太阳能电池的技术。

【技术实现步骤摘要】
薄膜太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及一种低成本、无毒的薄膜太阳能电池及其制备方法，属于无机非金属材料科学和光电薄膜与器件制造领域。
技术介绍
无机薄膜太阳能电池具有转换效率高、价格低廉、轻薄的等优势，具有广泛的应用前景。目前现有的薄膜太阳能电池吸收材料通常含有较多含量的有毒元素和稀有元素，如碲化镉太阳能电池含有有毒元素镉和稀有元素碲，铜铟镓硒太阳能电池含有稀有且昂贵元素铟、镓，很大程度上限制了它们的规模化生产和和长期使用。因此，采用来源广泛、价格低廉、绿色无毒的半导体材料作为太阳能电池材料是未来太阳能电池发展的趋势。Sb2S3(Se)太阳能电池原材料储量丰富，禁带宽度约为1.1-1.2Ev，理论光电转换效率＞30％，基本无毒，且不含和稀有元素，比较适合规模化生产和应用。然而目前Sb2S3(Se)薄膜材料及基于该材料的薄膜太阳能电池的研究极少。比较接近的Sb2Se3材料及薄膜太阳能电池光电转换效率仅仅取得了5.6％的效率，而且用于制备Sb2Se3太阳能电池的方法只有两种，第一种为真空方式沉积：如【期刊论文，Thin-filmSb2Se3photovoltaicswithorientedone-dimensionalribbonsandbenigngrainboundaries.NATPHOTONICS.2015；9:409-415.】所提到的；第二种为采用剧毒的水合肼做为溶剂制备，如：【期刊论文，Solution-ProcessedAntimonySelenideHeterojunctionSolarCells.ADVENERGYMATER.2014；4:1079-1098】所提到的。其中第一种真空方式沉积无疑会增加Sb2Se3薄膜太阳能电池的设备成本和生产周期，且尺寸受真空度及腔体限制，规模化生产较难，制造成本较高。而第二种方法中水合肼对人和环境将造成难以估计的破坏，因此也不适合用Sb2Se3薄膜太阳能电池的生产。此外，由于Sb2S3(Se)或Sb2Se3薄膜与Ag等价格便宜的常见金属电极的结合力差，现有技术中Sb2S3(Se)或Sb2Se3太阳能电池的阳极通常采用贵金属Au作为电极，显著提高了材料成本，进一步限制了其应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于新材料、新结构的Sb2S3(Se)薄膜太阳能电池，及一种生产与设备简单，成本低廉，能制备大面积Sb2S3(Se)薄膜及其太阳能电池的工艺方法。为了达到上述目的，本专利技术的基础方案提供一种薄膜太阳能电池，该太阳能电池是以Sb2S3(Se)材料作为吸光层，其结构顺次为FTO层、CdS层、Sb2S3(Se)层、缓冲层及金属电极，其中缓冲层为p型过渡金属氧化物，金属电极为高功函数金属。缓冲层的作用在于可以提高Sb2S3(Se)层与金属电极的结合力，特别说明的是，没有缓冲层的情况下Sb2S3(Se)层上难以沉积Ag电极。进一步，Sb2S3(Se)层厚度为500-1500nm，其中缓冲层厚度为3-15nm，金属电极厚度为60-120nm。进一步，p型过渡金属氧化物包括WO3、MoO3、NiO或CoO。进一步，高功函数金属包括Ag，Au或Pt。特别地，Ag价格相对较低，导电性良好，是首选材料。优选地，Sb2S3薄膜厚度为800nm。本专利技术低成本且无毒，大大降低了Sb2S3(Se)薄膜太阳能电池的成本，不受真空度及腔体限制，容易规模化生产；而且对人和环境无损害，更是能够采用Ag等价格便宜的常见金属做电极，降低了材料成本。本专利技术还提供一种薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，其步骤包括：步骤1，基片清洗：将FTO、玻璃衬底放入超声清洗器分别在去离子水、丙酮、异丙醇中清洗10min，烘干；步骤2，CdS薄膜沉积：采用常规的化学水浴法制备，将硫脲和CdCl2溶于H2O，加入NH4·H2O至CdCl2的浓度为1.0-2.0mmol/L，其中硫脲与CdCl2的物质的量之比为：100:7-8，PH值为11-12，水浴温度为75-85℃，沉积时间为20-60min，在350-450℃退火5-10min进而制得结晶的CdS薄膜，厚度约为40-150nm。步骤3，Sb2S3(Se)薄膜制备：利用喷自带程控式可移动加热平台的喷雾热解镀膜设备向步骤2中制得的CdS薄膜喷Sb2S3(Se)前驱液热解制备Sb2S3薄膜，其中衬底温度为150-350℃；雾化率为0.2-0.8ml/min；载气流速为8-30min/L；喷头高度为20-60mm；可移动加热平台移动速率为20-100mm/s；薄膜沉积速率为50-1200nm/min，沉积时间为1.5-20min，薄膜厚度为500-1500nm；步骤4，缓冲层和金属电极沉积：通过真空热蒸发方法制备一层厚度为3-15nm的缓冲层，蒸镀速率为0.1～0.2nm/s，沉积在步骤3制备的Sb2S3(Se)薄膜上，然后再通过真空热蒸发方法制备一层厚度为60～120nm的金属电极，蒸镀速率为0.6～20nm/min，并沉积在缓冲层上，至此完毕。进一步，在步骤3与步骤4之间增加硒化步骤：步骤3中的Sb2S3(Se)薄膜制备后放入两温区快速退火炉硒化，将沉积有CdS/Sb2S3的FTO玻璃置于高温端，Se粉置于低温端，高温端的温度控制为300-420℃，低温端的温度控制为200-400℃，硒化时间为5-45min。进一步，Sb2S3薄膜厚度为800nm。进一步，高温端的温度控制为400℃，低温端的温度控制为350℃，时间为8min。进一步，步骤3中Sb2S3(Se)前驱液的制备方法为：将锑盐溶于冰乙酸，取一定量锑盐冰乙酸溶液加入醇醚中，形成Sb3+浓度为0.01-0.5mol/L的溶液，加入硫源，使得溶液中S2-与Sb3+的物质的量之比为3:2～4:1。进一步，锑盐以醋酸锑，醇醚以乙二醇甲醚，硫源为硫脲；此时效果最佳。本专利技术生产与设备简单，成本低廉，能制备大面积Sb2S3(Se)薄膜及其太阳能电池。附图说明图1为本专利技术实施例1的结构示意图；图2为本专利技术实施例1中Sb2S3(Se)薄膜太阳能电池的JV特性曲线；图3为本专利技术实施例1中Sb2S3(Se)薄膜太阳能电池外量子效率曲线。具体实施方式下面通过具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明，实施例1：薄膜太阳能电池基本如附图1所示，一种Sb2S3(Se)薄膜太阳能电池的结构最底层为衬底，衬底之上依次为FTO、CdS、Sb2S3(Se)、MoO3、Ag，制备步骤如下：(1)基片清洗将FTO/玻璃衬底采用超声清洗器，分别在去离子水、丙酮、异丙醇中清洗10min，烘干。(2)CdS薄膜沉积将硫脲和CdCl2溶于H2O，加入一定量的NH4·H2O，CdCl2的浓度为1.2mmol/L，硫脲与CdCl2的物质的量之比为：100:7.2；NH4·H2O用于调节溶液PH值至11.5，水浴温度为80℃，沉积时间为30min，CdS的厚度为120nm，。(3)在CdS薄膜上沉积Sb2S3(Se)薄膜i.溶液配置将Sb(CH3COO)3溶于冰乙酸，取一定量Sb(CH3COO)3、冰乙酸溶液加入乙二醇甲醚中，形成溶液为Sb3+浓度为0.15mol/L，加入硫脲，使得溶液中S2-与Sb3+的物质的量之比为2:1。ii.喷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄膜太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池是以Sb2S3(Se)材料作为吸光层，其结构顺次为FTO层、CdS层、Sb2S3(Se)层、缓冲层及金属电极，其中缓冲层为p型过渡金属氧化物，金属电极为高功函数金属。

【技术特征摘要】
1.一种薄膜太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池是以Sb2S3(Se)材料作为吸光层，其结构顺次为FTO层、CdS层、Sb2S3(Se)层、缓冲层及金属电极，其中缓冲层为p型过渡金属氧化物，金属电极为高功函数金属。2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，Sb2S3(Se)层厚度为500-1500nm，其中缓冲层厚度为3-15nm，金属电极厚度为60-120nm。3.根据权利要求2所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，p型过渡金属氧化物包括WO3、MoO3、NiO、或CoO。4.根据权利要求1或3任一项所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，高功函数金属包括Ag，Au或Pt。5.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，Sb2S3层厚度为800nm。6.一种如权利要求1-5任一项所述薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，其步骤包括：步骤1，基片清洗：将FTO、玻璃衬底放入超声清洗器分别在去离子水、丙酮、异丙醇中清洗10min，烘干；步骤2，CdS薄膜沉积：采用常规的化学水浴法制备，将硫脲和CdCl2溶于H2O，加入NH4·H2O至CdCl2的浓度为1.0-2.0mmol/L，其中硫脲与CdCl2的物质的量之比为：100:7-8，PH值为11-12，水浴温度为75-85℃，沉积时间为20-60min，在350-450℃退火5-10min进而制得结晶的CdS薄膜，厚度约为40-150nm；步骤3，Sb2S3(Se)薄膜制备：利用喷自带程控式可移动加热平台的喷雾热解镀膜设备向步骤2中制得的CdS薄膜表面喷Sb2S3(Se)前驱液热解制备Sb2S3薄膜，其中衬底温度为150-350℃；雾化率为0.2-0.8ml/min；载气流...

【专利技术属性】
技术研发人员：程江，李璐，廖小青，胡荣，杨鑫，
申请(专利权)人：重庆文理学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50