一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极及其制备方法，该多层结构为：Mo基底(1～2μm)/惰性金属层(10～500nm)/MoS2层(10～50nm)。该方法是在Mo基底表面先制备惰性金属层，再沉积Mo层后经硫化形成MoS2层，形成Mo基底/惰性金属层/MoS2层的多层结构的背电极。该多层结构的背电极可应用于CZTS薄膜太阳能电池中，不仅可以有效阻止CZTS与Mo之间的反应，提高CZTS薄膜太阳能电池的稳定性以及基底与后续上层结构之间的附着力，还可以实现MoS2层厚度的精确控制，保证CZTS与背电极之间优良的欧姆接触，改善背电极的电荷收集能力，提高CZTS薄膜太阳能电池的器件性能。

A multilayer structure of copper zinc tin sulfur thin film solar cell back electrode and its preparation method

The invention discloses a multilayer structure copper zinc tin sulfur thin film solar cell back electrode and its preparation method. The multilayer structure is: Mo substrate (1~2 m) / inert metal layer (10 ~ 500nm) /MoS2 layer (10 ~ 50nm). The method is to prepare inert metal layer on the surface of Mo substrate. After depositing Mo layer, the MoS2 layer is formed by vulcanization, forming a Mo base / inert metal multilayer /MoS2 multilayer electrode. The back electrode of the multilayer structure can be applied to the CZTS thin film solar cell, can effectively prevent the reaction between CZTS and Mo, increase the CZTS thin film solar cell substrate and the upper structure stability and subsequent adhesion, also can accurately control the thickness of the MoS2 layer, ensure excellent ohmic contact between CZTS and the back electrode. To improve the ability of collecting charge back electrode, improve the device performance of CZTS thin film solar cell.

【技术实现步骤摘要】
一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极及其制备方法
本专利技术属于太阳能电池领域，具体涉及一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极及其制备方法。
技术介绍
铜锌锡硫(CZTS)薄膜太阳能电池是一种新型的太阳能电池，相较于硅晶和硅薄膜太阳能电池，由于其光吸收层材料组分丰度高，且无毒的特点，十分适合大规模、低成本开发利用，是一种极具竞争力的无机化合物薄膜太阳能电池。CZTS薄膜太阳能电池的常规器件结构如下：Mo/CZTS/CdS/i～ZnO/ITO/Ni～Al，以此结构为基础的CZTS薄膜太阳能电池器件效率已经突破10％，达到12.7％，这是CZTS基薄膜太阳能电池目前为止的最高效率。近期研究表明CZTS薄膜太阳能电池存在重大的结构缺陷，这种结构缺陷限制了CZTS薄膜太阳能电池器件效率的进一步的提升。JonathanJ.Scragg等人的研究发现CZTS薄膜的在退火过程中，Mo与CZTS层之间极不稳定，会发生如下反应：Mo+2Cu2ZnSnS4→2Cu2S+2ZnS+2SnS+MoS2上述反应会导致CZTS的分解，破坏CZTS层的结构，产生较多的杂相，影响光吸收层的性能，从而导致器件性能的急剧衰减(JournaloftheAmericanChemicalsociety，2012年，第134卷，19330～19333页)。此外，由于背Mo基底与CZTS薄膜之间晶格常数不匹配，在CZTS薄膜的退火过程中极易造成CZTS的脱膜，而CZTS与Mo的反应会进一步地加剧CZTS的脱膜。目前，采用在Mo与CZTS薄膜之间插入惰性陶瓷材料阻挡层的方法可以有效钝化Mo/CZTS界面，抑制CZTS与Mo反应而引发的CZTS的分解甚至脱膜。但是，这种方法存在以下问题：阻挡层一般采用导电性差的惰性陶瓷材料例如：TiN、TiB2等，这类材料虽然能够阻挡CZTS与Mo之间的反应，但是由于TiN、TiB2的导电性较差，限制了Mo基底对电荷的收集过程(ChemistryofMaterials，2013年，第25卷，3162～3171页；APPLIEDPHYSICSLETTERS，2014年，第105卷，051105～1～5页)；其次，TiN、TiB2这类阻挡层的加入抑制了Mo基底表面MoS2的生成，而较薄的MoS2有助于CZTS光吸收层材料与背基底之间形成欧姆接触，促进CZTS中电荷向基底的传输。基于以上原因，目前在Mo与CZTS薄膜之间插入导电性差的惰性陶瓷材料会增加CZTS薄膜太阳能电池的串联电阻，增加短路电流，CZTS薄膜太阳能电池的性能改善并不明显。因此，如何对CZTS/Mo界面结构进行合理设计，在保证界面钝化效果，提高CZTS薄膜的稳定性及其在Mo基底上的粘附性的同时，促进界面电荷的传输，降低CZTS薄膜太阳能电池的串联电阻，提高短路电流，是亟待解决的问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，实现CZTS薄膜太阳能电池中CZTS/Mo界面钝化，提高CZTS薄膜的稳定性及其在Mo基底上的粘附性，同时促进界面电荷传输，降低CZTS薄膜太阳能电池的串联电阻，提高短路电流，本专利技术提供一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极及其制备方法，具体如下。一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极，包括三层结构，基底层为钼层，基底层上面依次设置有惰性金属层和二硫化钼层。上述基底层厚度为1-2μm，惰性金属层厚度为10～500nm，硫化钼层厚度为10～50nm。上述惰性金属选自铂、金、铱、铑和钯中的至少一种。一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极的制备方法，包括以下步骤：(1)选择钼作为基底层，在其表面上沉积惰性金属层；(2)在惰性金属层表面上沉积钼；(3)将惰性金属层表面上沉积的钼进行硫化形成硫化层，即完成制备。上述惰性金属沉积为磁控溅射沉积，沉积参数为：功率50～150W、气压0.1～5Pa、溅射时间10～120s。上述钼沉积为磁控溅射沉积，沉积参数为：功率30～180W、气压0.1～5Pa、溅射时间10～100s。上述硫化使用硫蒸气作为硫化气氛，所述硫化层的硫化参数为：硫化温度250～600℃、升温速率10～100℃/s、硫化时间10s～60min、硫化气压0.1～100kPa。本专利技术的关键在于致密惰性金属层和致密硫化层的可控沉积与制备。利用致密惰性金属层和MoS2对CZTS与Mo基底层进行隔绝，阻止CZTS与Mo基底层之间的反应，防止CZTS的分解脱膜以及生成较厚的MoS2。同时，硫化钼层采用可控沉积法制备，可精确控制MoS2薄膜的厚度以保证背电极与CZTS光吸收层之间形成良好的欧姆接触。本专利技术的有益效果：1.有效地抑制背电极与CZTS薄膜之间反应，提高CZTS薄膜生长的稳定性以及CZTS薄膜在背电极上的粘附性；2.精确控制MoS2薄膜的厚度，保证背电极与CZTS薄膜之间形成良好的欧姆接触。附图说明图1为本专利技术的多层结构示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术的内容完全不限于此。实施例11μmMo/10nmAu/10nmMoS2结构的背电极的制备：1.将1μmMo基底玻璃置于磁控溅射沉积用的腔体基盘上，抽真空至0.3Pa，打开溅射惰性金属Au源的电源I，设置溅射功率100W，辉光放电后，打开挡板，开始溅射，溅射时间10s后关闭电源I及挡板，完成10nmAu惰性金属层的沉积；2.完成10nmAu惰性金属层的沉积后，利用Ar气清洗腔体，再次抽真空至0.1Pa，打开溅射Mo的电源II，设置溅射功率180W，溅射时间10s后关闭电源II及挡板，完成10nmMo层的沉积；3.将沉积有一定厚度Au与Mo的复合基底置于硫化管中，以50℃/s的速率升温到600℃，控制硫S蒸气气氛的气压5kPa，硫化时间10s，完成1μmMo/10nmAu/10nmMoS2结构背电极的制备。在1μmMo/10nmAu/10nmMoS2结构的背电极上沉积CZTS薄膜，经物相检测除CZTS物相以外未观察到二次相生成。对在1μmMo/10nmAu/10nmMoS2结构的背电极上沉积CZTS薄膜进行恒速拉伸测试以表征CZTS薄膜的粘附性，CZTS薄膜的临界开裂伸长量为0.15mm。在1μmMo/10nmAu/10nmMoS2结构的背电极上制备CZTS薄膜太阳能电池，置于AM1.5100W/cm2的模拟太阳光下检测电池性能，开路电压570mV，短路电流密度14.3mA/cm2，填充因子0.58，电池效率4.72％，串联电阻7.01Ω/cm2。实施例21.5μmMo/50nmPt/50nmMoS2结构背电极的制备：1.将1.5μmMo基底玻璃置于磁控溅射沉积用的腔体基盘上，抽真空至0.1Pa，打开溅射惰性金属Pt源的电源I，设置溅射功率150W，辉光放电后，打开挡板，开始溅射，溅射时间20s后关闭电源I及挡板，完成50nmPt惰性金属层的沉积。2.完成50nmPt惰性金属层的沉积后，利用Ar气清洗腔体，再次抽真空至2Pa，打开溅射Mo的电源II，设置溅射功率30W，溅射时间100s后关闭电源II及挡板，完成50nmMo层的沉积。3.将沉积有一定厚度Pt与Mo的复合基底置于硫化管中，以10℃/s的速率升温到300℃，控制硫蒸气气氛的气压0.1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：背电极包括三层结构，基底层为钼层，基底层上面依次设置有惰性金属层和二硫化钼层。

【技术特征摘要】
1.一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：背电极包括三层结构，基底层为钼层，基底层上面依次设置有惰性金属层和二硫化钼层。2.根据权利要求1所述的多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：背电极基底层厚度为1-2μm，惰性金属层厚度为10～500nm，硫化钼层厚度为10～50nm。3.根据权利要求1或2所述的多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：所述惰性金属选自铂、金、铱、铑和钯中的至少一种。4.一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选择钼作为基底层，在其表面上沉积惰性金属层；(2)在惰性金属层表面上沉积钼；(3)将惰性金属层表面上沉积的钼进行硫化形成硫化...

【专利技术属性】
技术研发人员：童正夫，刘志锋，韩长存，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42