基于Mg掺杂硫化锑的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基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池，从下至上依次包括透明导电衬底、电子传输层、吸光层和金属电极，吸光层为Mg掺杂硫化锑薄膜；还公开了制备方法，包括：①清洗氧化物透明导电衬底并烘干；②电子传输层的制备；③吸光层的制备：将含Mg元素的硫化锑前驱体溶液旋涂于电子传输层上，加热生成Mg掺杂硫化锑；重复旋涂与加热反应步骤调节Mg掺杂硫化锑薄膜厚度；在惰性气体环境下退火使Mg掺杂硫化锑薄膜结晶得无机吸光层；④电极的制备。本发明专利技术的薄膜太阳能电池吸光性好、电池短路电流高、设备转化效率明显改善，Mg掺杂使薄膜更光滑、均匀、致密，减少载流子的复合；本发明专利技术的方法原料和工艺简单、设备要求低。

Thin film solar cell based on Mg doped antimony sulfide and its preparation method

The invention discloses a thin film solar cell based on Mg doped antimony sulfide, which comprises a transparent conductive substrate, an electronic transmission layer, an optical absorption layer and a metal electrode from the bottom to the top, and the optical absorption layer is a Mg doped antimony sulfide thin film; the preparation method also discloses: \u2460 cleaning the oxide transparent conductive substrate and drying; \u2461 preparation of the electronic transmission layer; \u2462 preparation of the optical absorption layer: Mg element The precursor solution of antimony sulfide was spin coated on the electron transport layer and heated to form Mg doped antimony sulfide; the reaction steps of spin coating and heating were repeated to adjust the thickness of the film; annealing in an inert gas environment made the film crystallized to an inorganic absorption layer; \u2463 the preparation of electrode. The thin film solar cell of the invention has good absorbability, high short circuit current of the battery, obvious improvement of equipment conversion efficiency, Mg doping makes the thin film smoother, more uniform and denser, and reduces the recombination of carriers; the method of the invention has simple raw materials and process, and low equipment requirements.

【技术实现步骤摘要】
基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池及其制备方法
本专利技术属于材料
，具体涉及一种以旋涂法制备的Mg-Sb2S3作为吸光层的薄膜太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
地球上丰富的、无毒的薄膜太阳能电池技术作为环境友好型和可持续的可再生能源正引起人们的广泛关注。随着硅基太阳能电池的功率转换效率(PCE)日益接近实际极限，采用低成本薄膜太阳电池越来越受到人们的关注。Sb2S3具有带隙匹配、吸收系数高、单相稳定、合成条件良好等优点，是一种很有前途的薄膜太阳能电池候选材料。Sb2S3材料是新兴薄膜太阳能电池的一个典型代表。一种合适的Sb2S3制备方法是取得高转换效率的关键。传统制备Sb2S3薄膜的方法为化学浴沉积法（CBD），但是采用此种方法会导致薄膜存在锑的一些氧化物，这些氧化物会导致薄膜中缺陷的产生，使得载流子的复合，从而导致电池效率下降。采用其他一些物理方法制备Sb2S3则对实验设备要求高，制备时间较长。和这些方法相比，采用旋涂法制备的Sb2S3不仅能耗低，过程简单，且制备的Sb2S3薄膜纯度较高。然而目前采用旋涂法制备的Sb2S3薄膜太阳能电池的性能仍不太令人满意，这主要是因为采用旋涂法制备的薄膜仍存在些许针孔，导致短路电流的损失，从而致使电池效率的下降。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种吸光性更好、电池短路电流较高、设备转化效率得到明显改善的基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池，Mg掺杂后会对Sb2S3薄膜表面缺陷进行一定的钝化，使得薄膜更加光滑、均匀、致密，减少载流子的复合；还提供一种原料和方法简单、设备要求低且能制备出电池短路电流较高、能有效改善设备转化效率的基于Mg掺杂Sb2S3的薄膜太阳能电池的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池，该太阳能电池结构从下至上依次包括透明导电衬底、电子传输层、吸光层和金属电极，所述吸光层为Mg掺杂Sb2S3薄膜。上述的基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池，优选地，所述Mg掺杂Sb2S3薄膜中，所述Mg的掺杂摩尔量为1%～5%。上述的基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池，优选地，所述透明导电层为ITO、FTO、或AZO中的任一种；所述电子传输层为ZnO薄膜；所述金属电极为Au或Ag。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：（1）清洗氧化物透明导电衬底并烘干；（2）电子传输层的制备：制备ZnO前驱体溶胶，再在透明导电衬底上均匀旋涂ZnO前驱体溶胶，然后于马弗炉中进行煅烧，获得电子传输层；（3）吸光层的制备：将含Mg元素的Sb2S3前驱体液旋涂在电子传输层上，然后进行加热使溶液发生反应生成Mg掺杂Sb2S3薄膜；重复旋涂与加热反应步骤以调节生成的Mg掺杂Sb2S3薄膜的厚度；再在惰性气体环境下，经退火处理使Mg掺杂Sb2S3薄膜结晶，得到无机吸光层；（4）电极的制备：在无机吸光层表面蒸镀金属电极。上述的基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池的制备方法，优选地，所述步骤（3）中，所述含Mg元素的Sb2S3前驱体液的配制方法为：将氯化锑溶解于乙二醇甲醚中，进行搅拌，然后将硫脲加入氯化锑的乙二醇甲醚溶液中，继续搅拌直至得到浅黄色溶胶，再加入MgCl2，并搅拌，得到含Mg元素的前驱体液。上述的基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池的制备方法，优选地，在滴入MgCl2前，还包括向浅黄色溶胶中加入硫代乙酰胺，并进行搅拌；加入了硫代乙酰胺的浅黄色溶胶中，所述硫代乙酰胺的浓度为0.07～0.33mol/L；所述搅拌的时间为30～60min。上述的基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池的制备方法，优选地，待氯化锑溶解于乙二醇甲醚后，所述氯化锑的浓度为0.1～0.8mol/L；加入硫脲后，氯化锑∶硫脲的摩尔浓度比为1∶1～1∶1.8。上述的基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池的制备方法，优选地，步骤（3）中所述含Mg元素的前驱体液中，按摩尔比计，Mg∶（Mg+Sb）为1%～5%。上述的基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池的制备方法，优选地，步骤（3）中所述加热的温度为100℃～150℃，反应时间为1～5min；所述退火的温度为270～320℃，退火时间为10～15min。上述的基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池的制备方法，优选地，步骤（2）中所述煅烧的温度为400～600℃，时间为20～60min。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术通过掺入Mg元素，能够对Sb2S3薄膜的表面缺陷进行填充和钝化，既减少了表面缺陷，提高了薄膜的质量，提高了电流的短路电流，又使电池性能进一步得到提高。2、本专利技术通过在制备过程中引入硫代乙酰胺作为稳定剂，并能提供部分硫源，克服了氯化锑与硫脲不能充分络合的缺点，同时还能减少氧气与氯化锑的反应，从而减少Sb2O3杂相的出现，使获得的前驱体液更加稳定，避免了薄膜上出现颗粒物影响薄膜质量，并减少薄膜表面的孔洞和缺陷。3、本专利技术的方法通过控制Mg掺杂量、硫代乙酰胺与硫脲的加入量，并控制制备过程的工艺参数，能进一步提高薄膜太阳能电池的性能。4、本专利技术的方法原料、设备和工艺步骤简单、方便、能耗低、可重复性强、可有效提高电池的性能，为大规模制备提供了有利的手段。附图说明图1为所制备薄膜太阳能电池的结构示意图。图2为Mg的摩尔掺杂比例分别为0、1%、3%、5%时所得Sb2S3薄膜的紫外-可见吸收光谱图。图3为Mg的摩尔掺杂比例分别为0、1%、3%、5%时所得Sb2S3薄膜制备的薄膜太阳能电池的电流密度-电压特性曲线。图4为Mg的摩尔掺杂比例分别为0、1%、3%、5%时所得Sb2S3薄膜制备的薄膜太阳能电池的入射单色光子-电子转换效率图。图5(a)为Mg掺杂量为0且未添加硫代乙酰胺、(b)为Mg掺杂量为0但添加硫代乙酰胺制备的Sb2S3前驱液制备的薄膜SEM表面形貌图、(c)为Mg掺杂量为3%且添加硫代乙酰胺制备的Sb2S3前驱液制备的薄膜SEM表面形貌图。具体实施方式以下结合具体优选的实施例和说明书附图对本专利技术作进一步描述，但并不因此而限制本专利技术的保护范围。本专利技术采用旋涂方法制备Mg掺杂Sb2S3，来降低薄膜表面缺陷，增强Sb2S3的光吸收率，提高太阳能电池的短路电流，同时不会影响吸光层与电子传输层的结合，从而改善电池性能。同时引入硫代乙酰胺作为稳定剂，既提供了部分硫源，能减少Sb2O3杂相，又使硫脲和三氯化锑络合的更好，减少薄膜表面的孔洞和缺陷以提高薄膜质量。进而提高了基于Mg掺杂Sb2S3材料为吸光层的薄膜太阳能电池的转换效率，改善设备的性能。本专利技术提供一种基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池，该太阳能电池结构从下至上依次包括透明导电衬底、电子传输层、吸光层、金属电极，所述吸光层为Mg掺杂Sb2S3薄膜。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池结构从下至上依次包括透明导电衬底、电子传输层、吸光层和金属电极，所述吸光层为Mg掺杂Sb

【技术特征摘要】
1.基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池结构从下至上依次包括透明导电衬底、电子传输层、吸光层和金属电极，所述吸光层为Mg掺杂Sb2S3薄膜。


2.根据权利要求1所述的基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述Mg掺杂Sb2S3薄膜中，所述Mg的掺杂摩尔量为1%～5%。


3.根据权利要求1或2所述的基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述透明导电层为ITO、FTO、或AZO中的任一种；所述电子传输层为ZnO薄膜；所述金属电极为Au或Ag。


4.基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）清洗氧化物透明导电衬底并烘干；
（2）电子传输层的制备：制备ZnO前驱体溶胶，再在透明导电衬底上均匀旋涂ZnO前驱体溶胶，然后于马弗炉中进行煅烧，获得电子传输层；
（3）吸光层的制备：将含Mg元素的Sb2S3前驱体液旋涂在电子传输层上，然后进行加热使前驱体液发生反应生成Mg掺杂Sb2S3薄膜；重复旋涂与加热反应步骤以调节生成的Mg掺杂Sb2S3薄膜的厚度；再在惰性气体环境下，经退火处理使Mg掺杂Sb2S3薄膜结晶，得到无机吸光层；
（4）电极的制备：在无机吸光层表面蒸镀金属电极。


5.根据权利要求4所述的基于Mg掺杂硫化锑的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述含Mg元素的Sb2S3前驱体液的配制方法为：将氯...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建林，刘壮，彭卓寅，刘宙，张瑜，赵武松，黄才友，陈荐，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43