本发明专利技术公开了一种能抑制铜锌锡硫薄膜中MoS2层的预制层结构及制备方法，包括依次连接的玻璃衬底、背电极、底层Cu‑Sn合金层、ZnS层、顶层Cu‑Sn合金层，其中，所述背电极为Mo薄膜，厚度为1μm；底层Cu‑Sn合金层为磁控溅射沉积的Cu‑Sn合金薄膜，厚度为140 nm；ZnS层为磁控溅射沉积的ZnS薄膜，厚度为250‑255 nm；顶层Cu‑Sn合金层为磁控溅射沉积的Cu‑Sn合金薄膜，厚度为280 nm。本发明专利技术采用了CuSn/ZnS/CuSn分层溅射制备铜锌锡硫预制层，使生成的Cu6Sn5中间相更加均匀；根据薄膜的生长机制：Cu6Sn5+S→Cu2SnS3，Cu2SnS3+ZnS→Cu2ZnSnS4，ZnS作为夹层使得Zn在生成的薄膜中分布更加均匀，可以有效控制S的扩散，最终可以抑制过厚的高阻MoS2层的形成。
【技术实现步骤摘要】
能抑制铜锌锡硫薄膜中MoS2层的预制层结构及制备方法
本专利技术涉及太阳电池领域，具体涉及一种能抑制铜锌锡硫薄膜中MoS2层的优化预制层结构及制备方法。
技术介绍
当下，清洁能源代替传统化石能源已经成为全世界奋斗的目标，利用太阳能发电的光伏发电技术是一种极具发展潜力的清洁能源利用技术，近几十年太阳电池技术有了长足的发展。学术界和产业界对基于CuIn(S,Se)2，CdTe，Cu(In,Ga)Se4(CIGS)等的太阳电池进行了广泛的研究，但是由于这些电池材料中含有稀有元素In和Ga以及有毒元素Cd和Se，这都限制了此类电池的大量应用。基于此，人们把视线转向无毒且资源丰富、廉价的Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜太阳电池。这种直接带隙p型半导体材料有着接近1.5eV适合的禁带宽带，大于104cm-1的吸收系数，理论转换效率可达32%，非常适合制作薄膜太阳电池吸收层材料。制备CZTS薄膜的方法有很多，比如磁控溅射法、溶胶凝胶法、原子层沉积法、电化学法等，其中磁控溅射法因可实现大面积、均匀沉积而被广泛采用。在溅射沉积CZTS薄膜过程中，选用合适的溅射靶材显得极其重要，其中有Cu/Zn/Sn、Cu/Sn/ZnS、CuS2/SnS2/ZnS等不同的组合。前两种使用的是Zn靶材，在退火过程会具有较大饱和蒸汽压的Zn元素流失较严重，第三种组合溅射的是Zn化合物，会导致元素扩散不完全。此外，决定太阳电池性能的参数有电流密度(JSC)、开路电压（VOC）、填充因子（FF）、串联电阻（RS）和并联电阻（RSH）。预制层退火后，在铜锌锡硫和钼电极界面处会生成MoS2层，该MoS2层会增加电池的串联电阻—RS，导致电池器件的FF下降，从而导致电池的光电转换效率降低。NamDahyun等人（SolarEnergyMaterialsandSolarCells,149(2016),226-231.）报道了在MoS2厚度由110nm增加到220nm时，电池的FF和VOC分别下降了24.8%和23.4%。因此降低二硫化钼层的厚度会有效提升太阳电池器件性能。专利CN106549082A提出了一种采用CuSn合金靶和一个ZnS靶共溅射制备CZTS预制层的方法，该专利技术的主要目的是为了简化实验步骤，但是该技术无法阻止MoS2层的生成，且专利中也没有关于MoS2层厚度的记载。同时，该专利技术的技术方案还存在如下问题：根据上面提到的反应原理，Cu-Sn合金会首先与S发生反应，因此，较厚的Cu-Sn合金层会导致S向薄膜底层的扩散不足，使得底部反应不完全，产生二次相，二次相会使器件的串联电阻过大，大的串联电阻会阻碍载流子的传输，使电池器件的光电转换效率降低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种抑制铜锌锡硫薄膜中MoS2层的优化预制层结构及制备方法，有效解决CZTS太阳电池中Zn元素纵向分布不均匀和高阻MoS2层问题，最终提升CZTS太阳电池器件的光电转换效率。本专利技术所述的抑制铜锌锡硫薄膜中MoS2层的优化预制层结构，包括依次连接的玻璃衬底、背电极、底层Cu-Sn合金层、ZnS层、顶层Cu-Sn合金层，其中，所述背电极为Mo薄膜，厚度为1μm；所述底层Cu-Sn合金层为磁控溅射沉积的Cu-Sn合金薄膜，厚度为140nm；所述ZnS层为磁控溅射沉积的ZnS薄膜，厚度为250-255nm；所述顶层Cu-Sn合金层为磁控溅射沉积的Cu-Sn合金薄膜，厚度为280nm，其中底层的Cu-Sn合金层和顶层的Cu-Sn合金层的总厚度为420nm。上述铜锌锡硫薄膜太阳电池预制层的制备方法，包括如下步骤：(1)选用钠钙玻璃作为衬底，清洗步骤依次为：丙酮超声清洗20min，无水乙醇超声清洗20min，去离子水超声清洗20min，放入70℃烘箱中烘干备用。(2)采用直流磁控溅射单靶在玻璃衬底上沉积金属背电极Mo层，靶材为纯度99.99%的金属Mo靶，溅射气体为高纯氩气（99.999%），气体流量20mL/min，抽真空至5×10-4Pa，溅射功率为80W，所沉积薄膜厚度为1μm。(3)在金属背电极Mo层上采用磁控溅射依次沉积底层Cu-Sn合金层、ZnS层和顶层Cu-Sn合金层，靶材为Cu-Sn合金靶和ZnS靶，溅射气体为高纯氩气（99.999%），气体流量5.5sccm。抽真空至5×10-4Pa，溅射Cu-Sn合金靶和ZnS靶的功率分别为85W和50W，底层Cu-Sn合金层厚度为140nm，ZnS层厚度为250~255nm，顶层Cu-Sn合金层厚度为280nm。进一步的，Cu-Sn合金靶采用原子比Cu/Sn=1.7的Cu和Sn混合压制烧结而成。与现有技术相比，本专利技术具有以下突出优点：本专利技术采用CuSn/ZnS/CuSn的顺序分层溅射制备铜锌锡硫预制层，使生成的Cu6Sn5中间相更加均匀；根据薄膜的生长机制：Cu6Sn5+S→Cu2SnS3，Cu2SnS3+ZnS→Cu2ZnSnS4，ZnS作为夹层使得Zn在生成的薄膜中分布更加均匀；底层CuSn合金层可以有效控制S的扩散，最终可以抑制过厚的高阻MoS2层的形成。以上三点可减小电池的串联电阻、提高填充因子、提高器件的光电转换效率，该方法是制备高效铜锌锡硫薄膜的一种非常具有应用前景的方案。附图说明图1为CZTS薄膜预制层的结构示意图。图2为实施例1所制备的铜锌锡硫薄膜的透射电子显微镜图。图3为实施例1所制备的铜锌锡硫薄膜的扫描电子显微镜表面图。图4为实施例1所制备的铜锌锡硫薄膜的XRD谱图。图5为实施例1所制备的铜锌锡硫薄膜的Raman图谱。具体实施方式本专利技术将Cu-Sn合金层分成两层进行溅射，与现有技术的共溅射不同，分层溅射既保证了S的正常扩散，又利用底层Cu-Sn合金层阻挡了过多的S向Mo层的扩散，抑制了高阻MoS2层的生成，可以减小CZTS薄膜太阳电池的串联电阻，提高器件的光电转换效率。结合图1，本专利技术所述的抑制铜锌锡硫薄膜中MoS2层的优化预制层结构，包括自下而上依次连接的玻璃衬底1、背电极2（Mo薄膜）、底层Cu-Sn合金层3、ZnS层4和顶层Cu-Sn合金层5。实施例1：(1)选用钠钙玻璃作为衬底，清洗步骤依次为：丙酮超声清洗20min，无水乙醇超声清洗20min，去离子水超声清洗20min，放入70℃烘箱中烘干备用。（2）采用单靶直流磁控溅射在玻璃衬底上沉积金属背电极Mo层。靶材为99.99%纯度的金属Mo靶。溅射气体为高纯氩气（纯度99.999%），气体流量20mL/min。抽真空至5×10-4Pa，溅射功率为80W，所沉积薄膜厚度为1μm。（3）在金属背电极Mo层上采用射频磁控溅射沉积CZTS薄膜预制层。靶材为Cu-Sn合金靶和ZnS靶。溅射气体为高纯氩气（99.999%），气体流量5.5sccm。抽真空至5×10-4Pa，溅射Cu-Sn合金靶和ZnS靶的功率分别为85W和50W，ZnS层的厚度为250nm，顶层Cu-Sn合金层和底层Cu-Sn合金层溅射厚度分别为280nm和140nm，总厚度为420nm，此厚度保证了预制层中元素的原子比Cu/(Zn+Sn)=0.75，Zn/Sn=1.05。根据Cu2ZnSnS4的生成机制：Cu6Sn5+S→Cu2SnS3和Cu2SnS3+ZnS→Cu2ZnSnS4可以知道本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.能抑制铜锌锡硫薄膜中MoS2层的预制层结构，包括依次连接的玻璃衬底(1)、背电极(2)、底层Cu‑Sn合金层（3）、ZnS层（4）和顶层Cu‑Sn合金层（5），其特征在于，所述的底层Cu‑Sn合金层（5）与顶层合金层（3）总厚度为420 nm，其厚度比例为1:2。
【技术特征摘要】
1.能抑制铜锌锡硫薄膜中MoS2层的预制层结构，包括依次连接的玻璃衬底(1)、背电极(2)、底层Cu-Sn合金层（3）、ZnS层（4）和顶层Cu-Sn合金层（5），其特征在于，所述的底层Cu-Sn合金层（5）与顶层合金层（3）总厚度为420nm，其厚度比例为1:2。2.根据权利要求1所述的预制层结构，其特征在于，背电极(2)为Mo薄膜，厚度为1μm。3.根据权利要求1所述的预制层结构，其特征在于，底层Cu-Sn合金层（3）为磁控溅射沉积的Cu-Sn合金薄膜，厚度为140nm。4.根据权利要求1所述的预制层结构，其特征在于，ZnS层（4）为磁控溅射沉积的ZnS薄膜，厚度为250-255nm。5.根据权利要求1所述的预制层结构，其特征在于，顶层Cu-Sn合金层（5）为磁控溅射沉积的Cu-Sn合金薄膜，厚度为280nm。6.根据权利要求2所述的预制层结构，其特征在于，采用单靶直流磁控溅射在玻璃衬底（1）上沉积Mo薄膜作为背电极(2)，靶材为99.99%纯度的金属Mo靶，溅射气体为高纯氩气，气体流量20mL/min，抽真空至5×10-4Pa，溅射功率为80W，所沉积薄膜厚度为1μm。7.根据权利要求3所述的预制层结构，其特征在于，采用射频磁控溅射在背电极(2)上沉积Cu-Sn合金薄膜作为底层Cu-Sn合金层（3），溅射气体为高纯氩气，气体流量5.5sccm，抽真空至5×10-4Pa，溅射靶材为Cu-Sn合金靶，功率为85W，溅射厚度为140nm。8.根据权利要求4所述的预制层结构...
【专利技术属性】
技术研发人员：郝瑞亭，刘欣星，郭杰，顾康，魏国帅，刘斌，王璐，马晓乐，孙帅辉，
申请(专利权)人：云南师范大学，
类型：发明
国别省市：云南,53
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