一种镁掺杂铜锌锡硫薄膜太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种镁掺杂铜锌锡硫薄膜太阳电池及其制备方法，属于太阳电池领域。其制备步骤如下：在玻璃衬底上制备Mo电极；在Mo电极上涂覆镁掺杂铜锌锡硫前驱体溶液制备前驱体薄膜；对前驱体薄膜高温硫化制备吸收层；在吸收层上制备缓冲层；在缓冲层上制备透明导电窗口层；在窗口层上制备顶电极。其中所述吸收层为镁掺杂铜锌锡硫薄膜；所述前驱体溶液是将氯化铜、乙酸镁、氯化锌、氯化亚锡、硫脲，充分溶于二甲基甲酰胺经离心处理后获得。该制备方法不但操作安全简单，而且金属源蕴藏丰富，环保，成本低，所制得的镁掺杂铜锌锡硫薄膜太阳电池晶粒形貌好，孔隙少，载流子迁移率大，电荷收集能力强，缺陷少。

A Mg doped Cu Zn Sn s thin film solar cell and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种镁掺杂铜锌锡硫薄膜太阳电池及其制备方法
本专利技术涉及太阳电池领域，具体涉及一种镁掺杂铜锌锡硫薄膜太阳电池及其制备方法。
技术介绍
化石能源储量日益减少，寻求其他能源作为补充势在必行。鉴于传统能源高消耗高污染的情况下，清洁，丰富，环境友好的新型能源成为能源补充的不二选择。太阳能是完全符合人们心中完美的新型清洁能源，纯天然无污染，资源丰富。太阳能的开发和利用无疑是缓解环境污染和能源危机的可行路径，并且还具有深刻的科学意义和实践效果。硅基太阳电池作为传统光电转换器件，技术应用已经十分成熟，科研意义不大，新型光电材料的研究成为广大科研人员的第一要务。铜锌锡硫（CZTS）是直接带隙半导体材料且具有锌黄锡矿结构，禁带宽度为1.45eV~1.50eV,光吸收系数超过104cm-1，只需要1.5μm~2.5μm，就可以吸收绝大多数可见光波长。相比于同类型的铜铟镓硒，铜锌锡硫元素组成丰富、无毒，，制备成本更低。相比于钙钛矿太阳电池，铜锌锡硫稳定性更好。因此CZTS成为最有前景，低成本，环境友好型的新型光电材料。截止到现在，实验室CZTS薄膜太阳电池的光电转换效率最高纪录为12.62%，与其理论极限值还相差甚远。造成其效率低下的主要原因是开路电压（Voc）的亏损，造成开路电压低下的原因有如下几个方面：i）较高的非辐射复合；ⅱ）扩散长度较低；ⅲ）严重的带尾效应；iiii）反位缺陷较多。近年来，阳离子掺杂作为抑制这些问题的一种可行性解决方案，引起了人们的广泛关注。然而，常见的掺杂金属阳离子（Ag和Cd），由于其稀缺性和毒性，并不理想。其他过渡金属(如Mn、Fe、Co或Ni)是多价的，可能形成有害的深层缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种镁掺杂铜锌锡硫薄膜太阳电池及其制备方法，以解决现有的铜锌锡硫薄膜阳离子掺杂存在的材料性能较差，如载流子迁移率低下，电荷收集能力差，以及反位缺陷较多，最终导致电池的光电转换效率低等问题。实现本专利技术目的的技术解决方案是：一种镁掺杂铜锌锡硫薄膜太阳电池及其制备方法，具体步骤如下：（1）在玻璃衬底上制备Mo电极；（2）在上述Mo电极上，以镁掺杂铜锌锡硫前驱体溶液采用旋涂法制备前驱体薄膜；（3）将上述前驱体薄膜上高温硫化制备吸收层；（4）在上述吸收层上制备缓冲层；（5）在上述缓冲层上制备透明导电窗口层；（6）在上述窗口层上制备顶电极。较佳的，步骤（1）中，Mo电极具有双层结构，包括高阻层和低阻层Mo薄膜，其厚度分别为250nm和1250nm，采用直流溅射法获得。较佳的，步骤（2）中，以氯化铜、乙酸镁、氯化锌和氯化亚锡为金属源，硫脲为硫源，二甲基甲酰胺为溶剂，配制镁掺杂铜锌锡硫前驱体溶液，其中，氯化铜和氯化亚锡在前驱体溶液中的浓度分别为0.6mol/L、0.36mol/L，乙酸镁和氯化锌的总浓度为0.44mol/L，其中原子摩尔比Mg/(Mg+Zn)=4~6%，硫脲的浓度2.8mol/L。具体的，步骤（2）中，镁掺杂铜锌锡硫前驱体溶液制备过程如下：将金属源溶于溶剂中，封口50℃水浴搅拌15分钟；再加入硫脲，继续封口50℃水浴搅拌50分钟；结束后进行离心处理，离心转速8000转/分钟，离心时间5分钟即可得所述的镁掺杂铜锌锡硫前驱体溶液。较佳的，步骤（2）中，旋涂次数为10~15次。具体的，步骤（2）中，旋涂法的过程如下：取镁掺杂铜锌锡硫前驱体溶液均匀涂覆在Mo电极上，开启匀胶机旋涂，低速700转/分钟，时间5秒；高速3000转/分钟，时间25秒，再置于300℃下预加热3min，室温冷却3min，重复涂覆、预加热、室温冷却过程10~15次。较佳的，步骤（3）中，吸收层厚度为1~1.5μm；硫化温度为650~655℃，硫化时间为30~40分钟，工作气体N2，气体流量30sccm。具体的，步骤（3）中，高温硫化过程如下：设定硫化温度初温为45~55℃，升温速率为10℃/min，终温为650~655℃，在N2氛围下保温硫化30~40分钟，通气流量30sccm，结束后自然冷却至室温。较佳的，步骤（4）中，缓冲层为硫化镉（CdS），其厚度50~60nm，采用化学水浴法沉积获得。较佳的，步骤（5）中，透明导电窗口层为i-ZnO和ITO双层薄膜，其厚度依次为35~55nm和400~500nm，采用射频溅射法获得。较佳的，步骤（6）中，顶电极为银合金，采用电子束热蒸发法获得。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：（1）本专利技术提供了一种安全无毒，价态稳定的阳离子掺杂铜锌锡硫薄膜太阳电池的制备方法，该制备方法不但操作安全简单，而且金属源蕴藏丰富，环保，成本低，制备过程中采用水浴加热搅拌并离心处理，得到饱和、均匀且稳定的前驱体溶液，此溶液能够存放一个月之久；（2）所制得的镁掺杂铜锌锡硫薄膜太阳电池晶粒形貌好，孔隙少，载流子迁移率大，电荷收集能力强，缺陷少。附图说明附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本专利技术的各个方面的实施例，其中：图1为本专利技术所述的CMZTS薄膜太阳电池的结构示意图。图2为本专利技术制备方法流程示意图。图3为本专利技术实施例1制备的CMZTS薄膜的X射线衍射谱。图4为本专利技术实施例1制备的CMZTS薄膜的拉曼光谱。图5为本专利技术实施例1制备的CMZTS薄膜的扫描电子显微镜表面图。图6为本专利技术实施例1制备的CMZTS薄膜的扫描电子显微镜截面图。图7为本专利技术实施例2制备的CMZTS薄膜的X射线衍射谱。图8为本专利技术实施例2制备的CMZTS薄膜的拉曼光谱。图9为本专利技术实施例2制备的CMZTS薄膜的扫描电子显微镜表面图。图10为本专利技术实施例2制备的CMZTS薄膜的扫描电子显微镜截面图。具体实施方式为了使本专利技术的沉积顺序等内容更容易被清楚理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术为了更好使阳离子掺入，故使用溶液法，其制备简单，成本低，均匀性好，且能更好的控制阳离子的掺杂量。通过优选最佳掺杂量，以解决反位缺陷多，载流子传输性能差等问题，最终制备高性能CZTS光电器件。本专利技术所述的镁掺杂铜锌锡硫薄膜（CMZTS）吸收层的制备工艺包含三个步骤：第一步配制前驱体溶液。第二步，采用旋涂法将溶液涂覆到Mo玻璃衬底上制备前驱体薄膜。第三步将前驱体于管式硫化炉内高温硫化制备镁掺杂铜锌锡硫（CMZTS）吸收层。本专利技术的主旨就是采用一种简易的溶液旋涂法实现对铜锌锡硫的镁掺杂，其具有低成本，环保，安全无毒，原料稳定且丰富等优势。此外，镁的掺入对铜锌锡硫薄膜的形貌和结构缺陷有着显著的有利影响。如图1，本专利技术所述的CMZTS薄膜太阳电池共有六层结构。具体如下：（1）玻璃衬底为钠钙玻璃，厚度约2mm；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镁掺杂铜锌锡硫薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于，其具体步骤如下：/n在玻璃衬底上制备Mo电极；/n在上述Mo电极上，以前驱体溶液采用旋涂法制备镁掺杂铜锌锡硫前驱体薄膜；/n将上述前驱体薄膜上高温硫化制备吸收层；/n在上述吸收层上制备缓冲层；/n在上述缓冲层上制备透明导电窗口层；/n在上述窗口层上制备顶电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种镁掺杂铜锌锡硫薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于，其具体步骤如下：
在玻璃衬底上制备Mo电极；
在上述Mo电极上，以前驱体溶液采用旋涂法制备镁掺杂铜锌锡硫前驱体薄膜；
将上述前驱体薄膜上高温硫化制备吸收层；
在上述吸收层上制备缓冲层；
在上述缓冲层上制备透明导电窗口层；
在上述窗口层上制备顶电极。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，Mo电极具有双层结构，包括高阻层和低阻层Mo薄膜，其厚度分别为250nm和1250nm，采用直流溅射法获得。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，以氯化铜、乙酸镁、氯化锌和氯化亚锡为金属源，硫脲为硫源，二甲基甲酰胺为溶剂，配制镁掺杂铜锌锡硫前驱体溶液，其中，氯化铜和氯化亚锡在前驱体溶液中的浓度分别为0.6mol/L、0.36mol/L，乙酸镁和氯化锌的总浓度为0.44mol/L，其中原子摩尔比Mg/(Mg+Zn)=4~6%，硫脲的浓度2.8mol/L。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，前驱体溶液制备过程如下：将金属源溶于溶剂中，封口50℃水浴搅拌15分钟；再加入硫脲，继续封口50℃水浴搅拌50分钟；结束后进行离心处理，离心转速8000转/分钟，离心时间5分钟即可得所...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝瑞亭，王云鹏，李晓明，郭杰，顾康，李勇，魏国帅，方水柳，刘慧敏，马晓乐，
申请(专利权)人：云南师范大学，
类型：发明
国别省市：云南;53