铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池及其制备方法。所述铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池，包括Mo玻璃基底以及依次沉积在所述Mo玻璃基底上的铜锌锡硫硒膜层、CdS缓冲层、ZnO窗口层、ITO透明电极层和Ag栅电极。其中，CZTSSe薄膜是由CZTS前驱膜经硒化处理获得的。本发明专利技术采用超声喷雾法制备CZTS前驱膜，与目前普遍采用的旋涂法制备的CZTSSe薄膜太阳能电池相比，对薄膜厚度、均匀性、结晶性的调控更加精确，有利于降低复合、提升电池的转换效率。

Copper-zinc-tin-sulphur-selenium thin film solar cells and their preparation methods

The invention discloses a copper, zinc, tin, sulfur and selenium thin film solar cell and a preparation method thereof. The copper-zinc-tin-sulphur-selenium thin film solar cell comprises a Mo glass substrate and a copper-zinc-tin-sulphur-selenium film layer, a CdS buffer layer, a zinc-tin-sulphur-selenium window layer, an ITO transparent electrode layer and an Ag grid electrode deposited on the Mo glass substrate in turn. Among them, CZTSSe film is obtained by selenium treatment of CZTS precursor film. The invention adopts the ultrasonic spray method to prepare the CZTS precursor film. Compared with the CZTSSe thin film solar cell prepared by the spin coating method, the film thickness, uniformity and crystallinity are regulated more accurately, and the conversion efficiency of the composite and the battery is improved.

【技术实现步骤摘要】
铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及薄膜太阳能电池
，具体涉及到一种超声喷雾法制备铜锌锡硫硒(CZTSSe)薄膜太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
随着能源和环境问题日趋严峻，将太阳能转换成电能的太阳能电池成为各国科学界研究的热点和产业界开发的重点。太阳能电池是基于半导体材料的器件。目前多种太阳能电池已经发展起来，如商业化太阳能电池(如晶硅、砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒电池)，和处于研究阶段的各类新型太阳能电池(包括钙钛矿电池、铜锌锡硫(硒)电池、有机太阳能电池和量子点电池等)。其中，铜锌锡硫(硒)(CZTS(Se))薄膜太阳能电池以其直接带隙材料、高吸光系数、高稳定性、组成元素在地球上含量丰富、安全无毒而受到关注。CZTSSe薄膜太阳能电池主要由钠钙玻璃基底、钼背电极、吸收层、缓冲层、窗口层、透明电极层及金属栅电极构成。为了提高电池效率，目前的研究工作集中在如何提高CZTS(Se)薄膜质量，包括：对前驱膜硒化条件的探索和优化，发展掺杂、调控元素配比等方法和技术。目前，CZTS(Se)薄膜的制备方法大致可以分为真空法和非真空法(J.Ramanujam,U.P.Singh,EnergyEnviron.Sci.2017,10,1306.)。真空法主要包括蒸发法(evaporation)和溅射法(sputtering)。而非真空的溶液法(如旋涂法、狭缝印刷等)因其操作简便、制备成本低廉等优点而得到了快速发展。此类电池最高效率12.6％就是基于溶液法实现的(W.WangandD.B.Mitzietal.,Adv.EnergyMater.,2014,4,1301465)。事实上，发展新型CZTS(Se)薄膜制备方法对于提高CZTS(Se)薄膜质量和电池效率乃至促进其大规模应用也是非常重要。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供一种铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池及其制备方法。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池，包括Mo玻璃基底以及依次沉积在所述Mo玻璃基底上的铜锌锡硫硒膜层、CdS缓冲层、ZnO窗口层、ITO透明电极层和Ag栅电极。根据本专利技术提供的铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池，其中，所述铜锌锡硫硒(CZTSSe)膜层的厚度可以为800～4000nm，优选为2000～3000nm。优选地，所述CZTSSe膜层由CZTSSe颗粒构成，所述CZTSSe颗粒的粒径为400～1000nm，优选为500～800nm。根据本专利技术提供的铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池，其中，所述Mo玻璃基底包括钠钙玻璃基底以及沉积在所述钠钙玻璃基底上的Mo膜层。所述Mo膜层的厚度可以为300～1500nm，优选为500～1000nm。根据本专利技术提供的铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池，其中，所述CdS缓冲层的厚度可以为10～100nm，优选为40～60nm；所述ZnO窗口层的厚度可以为30～100nm，优选为50～80nm；所述ITO透明电极层的厚度可以为300～1200nm，优选为500～800nm；所述Ag栅电极的厚度可以为80～300nm，优选为100～200nm。本专利技术还提供了一种铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池的制备方法，该方法包括在Mo玻璃基底上形成铜锌锡硫硒(CZTSSe)膜层。根据本专利技术提供的制备方法，其中，在Mo玻璃基底上形成铜锌锡硫硒(CZTSSe)膜层包括：制备铜锌锡硫(CZTS)前驱膜，然后进行硒化。在本专利技术优选的实施方案中，采用超声喷雾法制备铜锌锡硫(CZTS)前驱膜。具体地，可以包括：配制适用于超声喷雾的CZTS前驱液；利用超声喷雾系统将所述CZTS前驱液喷涂在Mo玻璃基底上。其中，所述CZTS前驱液由CuO、ZnO、SnO和溶剂组成。其中，CuO、ZnO、SnO的摩尔数总和为3～5mmol，Cu/Zn+Sn的摩尔比为0.7～0.9，Zn/Sn比为1.0～1.1。CuO、ZnO和SnO在所述前驱液中的质量百分比总浓度可以为2～25wt％，优选为8～20wt％。所述溶剂可以由A+B两类溶剂组成，其中，A为乙二醇甲醚、二甲基甲酰胺、乙醇胺、乙醇、甲醇和水中的一种或两种；B为巯基乙酸、巯基丙酸和二甲亚砜中的一种或两种。本专利技术优选但并不局限于上述溶剂。进一步地，采用超声喷雾装置喷涂所述CZTS前驱液的时间可以为10～1000秒，优选为200～400秒。将所得到薄膜转移到预先设置好温度的热台上加热1～3分钟，冷至室温。重复此操作以得到所需厚度的薄膜。其中，加热的温度可以为300～550℃。其中，所述CZTS前驱膜的厚度可以为300～1500nm，优选为500～1000nm。优选地，所述CZTS前驱膜由铜锌锡硫颗粒构成。优选地，所述铜锌锡硫颗粒的粒径为100～400nm，优选为200～300nm。应用本专利技术的技术方案，专利技术人创造性地将超声喷雾法引入到CZTSSe薄膜的制备，可以获得均匀、膜厚可控的CZTSSe薄膜，进而制备CZTSSe薄膜太阳能电池，光电转换效率明显提高，且过程简单、适合大规模应用。本专利技术采用超声喷雾法在Mo玻璃基底上制备CZTS前驱膜，进而通过硒化处理制备CZTSSe薄膜，进而制备CZTSSe薄膜太阳能电池，与常规的旋涂法等传统溶液法制备的CZTSSe太阳能电池相比，CZTSSe薄膜更加均匀，通过控制喷涂时间获得不同的薄膜厚度，有利于提升电池的光电转换效率。本专利技术所提供的制作过程简单，易于操作，可适用于不同面积CZTSSe薄膜太阳能电池的制备。根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1为本专利技术一种典型实施例的CZTSSe薄膜太阳能电池结构示意图。具体实施方式在CZTSSe薄膜太阳能电池中，CZTSSe材料本身带隙可通过S/Se比来调控，但CZTSSe半导体材料存在晶体结晶性差、缺陷多、易形成二次相等问题，严重制约器件性能的进一步提高。目前关于这方面的研究主要集中在如何提高CZTS(Se)薄膜质量，包括：对前驱膜硒化条件的探索和优化，发展掺杂、调控元素配比等方法和技术等。为了进一步提高CZTSSe薄膜太阳能电池的转换效率，并适应未来规模化使用，本专利技术提出了一种CZTSSe薄膜太阳能电池，包括采用超声喷雾技术在Mo玻璃基底上制备CZTS前驱膜，再经过硒化得到高质量CZTSSe膜层30。在本专利技术的实施例中，用于超声喷雾技术的CZTS前驱液质量百分比浓度为2～25wt％。优选地，CZTS前驱溶液的质量百分比浓度为8～20wt％。本专利技术的实施例中，CZTSSe膜层30由CZTSSe纳米颗粒组成。CZTSSe颗粒的粒径为400～1000nm，优选为500～800nm。如果颗粒粒径太大或太小，复合严重不利于电池效率的提高。本专利技术所采用的CZTSSe膜层的厚度可以为800～4000nm，优选为2000～3000nm。图1示出了本专利技术的CZTSSe太阳能电池的结构图。该电池包括：透明衬底10、在透明衬底10上采用磁控溅射法形成Mo层20，在Mo玻璃基底上形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池，包括Mo玻璃基底以及依次沉积在所述Mo玻璃基底上的铜锌锡硫硒膜层、CdS缓冲层、ZnO窗口层、ITO透明电极层和Ag栅电极。

【技术特征摘要】
2018.05.17 CN 20181047489081.一种铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池，包括Mo玻璃基底以及依次沉积在所述Mo玻璃基底上的铜锌锡硫硒膜层、CdS缓冲层、ZnO窗口层、ITO透明电极层和Ag栅电极。2.根据权利要求1所述的铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池，其中，所述铜锌锡硫硒膜层的厚度为800～4000nm，优选为2000～3000nm。3.根据权利要求1或2所述的铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池，其中，所述铜锌锡硫硒膜层由铜锌锡硫硒颗粒构成，所述铜锌锡硫硒颗粒的粒径为400～1000nm，优选为500～800nm。4.根据权利要求1至3中任一项所述的铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池，其中，所述CdS缓冲层的厚度为10～100nm，优选为40～60nm；所述ZnO窗口层的厚度为30～100nm，优选为50～80nm；所述ITO透明电极层的厚度为300～1200nm，优选为500～800nm；所述Ag栅电极的厚度为80～300nm，优选为100～200nm。5.权利要求1至4中任一项所述铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池的制备方法，该方法包括在Mo玻璃基底上形成铜锌锡硫硒膜层。6.根据权利要求5所述的制备方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冬梅，闵雪，石将建，吴会觉，罗艳红，孟庆波，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11