一种铜基吸光层薄膜及其制备方法、铜基薄膜太阳能电池技术

本发明专利技术提供了一种铜基吸光层薄膜及其制备方法、铜基薄膜太阳能电池。该制备方法包括如下步骤：将金属单质、二硫醚化合物、硫醇化合物、氨/有机胺类化合物和溶剂混合并进行反应，获得金属‑硫醇盐配位化合物的前驱体溶液；将所述前驱体溶液在一基底上成膜，在预设温度下进行加热退火处理，获得吸光层前驱体薄膜；将所述吸光层前驱体薄膜进行硒化和/或硫化处理，获得铜基吸光层薄膜。根据本发明专利技术的方案，用来制备铜基吸光层薄膜的方法简单，避免了采用毒性大、不稳定和易爆炸的无水肼为溶剂，且基于该方法制备获得的铜基薄膜太阳能电池的光电转换效率为5‑16％。

【技术实现步骤摘要】
一种铜基吸光层薄膜及其制备方法、铜基薄膜太阳能电池
本专利技术涉及太阳能电池
，尤其涉及一种铜基吸光层薄膜的制备方法、铜基吸光层薄膜以及铜基薄膜太阳能电池。
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。铜基薄膜太阳能电池以其高稳定性、具有抗干扰、耐辐射能力强而受到各国光伏研究人员的广泛关注。铜基薄膜太阳能电池吸收层决定着太阳能电池的性能，因此，研究吸收层具有至关重要的意义。目前，铜基薄膜的制备方法大致可以分为真空法和非真空法。真空法主要包括蒸发法和溅射法。而非真空的溶液法，如旋涂法、喷涂和狭缝印刷等，因其操作简便、制备成本低廉等优点而得到了快速发展。发展新型铜基吸光层薄膜制备方法对于提高铜基薄膜质量和相应的电池效率乃至促进其大规模应用是非常重要的。
技术实现思路
本专利技术的一个目的提供一种避免采用毒性大、不稳定和易爆炸的无水肼为溶剂来制备铜基吸光层薄膜的方法。本专利技术的另一个目的是提供一种基于上述制备方法获得的铜基吸光层薄膜和铜基薄膜太阳能电池。特别地，本专利技术提供了一种铜基吸光层薄膜的制备方法，包括如下步骤：将金属单质、二硫醚化合物、硫醇化合物、氨/有机胺类化合物和溶剂混合并进行反应，获得金属-硫醇盐配位化合物的前驱体溶液；将所述前驱体溶液在一基底上成膜，在预设温度下进行加热退火处理，获得吸光层前驱体薄膜；将所述吸光层前驱体薄膜进行硒化和/或硫化处理，获得铜基吸光层薄膜。可选地，所述金属单质包括铜单质；所述金属单质还包括锌、锡、铟、镓、锗、铁、锰以及铝中的一种或多种。可选地，所述二硫醚化合物选自二硫代二乙醇酸、3,3′-二硫代二丙酸、2,2′-二硫代二丙酸、4,4′-二硫代二丁酸、L-胱氨酸、2,2′-二硫二乙醇、胱胺、胱胺二盐酸盐、二甲基二硫醚、二乙基二硫醚、二丙基二硫醚、二丁基二硫醚、4,4'-联硫基二吡啶以及2,2'-联硫基二吡啶中的一种或多种。可选地，所述硫醇类化合物选自巯基乙酸、3-巯基丙酸、2-巯基丙酸、4-巯基丁酸、L-半胱氨酸、巯基乙醇、半胱胺、半胱胺盐酸盐、甲硫醇、乙硫醇、丙硫醇、丁硫醇、4-巯基吡啶以及2-巯基吡啶中的一种或多种。可选地，所述氨/有机胺类化合物选自氨水、氨气、C1-C10的伯胺、乙醇胺、乙二胺以及三乙醇胺中的一种或多种。可选地，所述溶剂选自水、C1-C4的醇类化合物、四氢呋喃、酰胺类化合物、二甲基亚砜、丙酮、乙醚、乙二醇甲醚以及乙酸乙酯中的一种或多种。可选地，所述吸光层前驱体薄膜制备预设温度为250-550℃；可选地，所述吸光层前驱体薄膜制备加热退火处理的加热时间为0.5-10min。可选地，将所述吸光层前驱体薄膜进行硒化或硫化处理的步骤中，所述硒化处理的反应温度为300-650℃，所述硒化处理的反应时间为6-120min；可选地，将所述吸光层前驱体薄膜进行硒化或硫化处理的步骤中，所述硫化处理的反应温度为300-650℃，所述硫化处理的反应时间为6-90min。特别地，本专利技术提供了一种由前述制备方法制备的铜基吸光层薄膜，所述铜基吸光层薄膜的厚度为800-5000nm。特别地，本专利技术提供了一种铜基薄膜太阳能电池，包括依次设置的基底、如前述的铜基吸光层薄膜、硫化镉缓冲层薄膜、氧化锌窗口层、ITO透明电极层薄膜和金属栅电极；可选地，所述ITO透明电极层薄膜替换为AZO透明电极层薄膜。根据本专利技术的方案，用来制备铜基吸光层薄膜的方法简单，避免了采用毒性大、不稳定和易爆炸的无水肼为溶剂，所采用的溶剂无毒、稳定且安全。此外，对由此获得的铜基薄膜太阳能电池进行光电转化率的测试，测试条件为：以AM1.5模拟太阳光，光照强度为1000W/m2。测试结果表明：该铜基薄膜太阳能电池的光电转换效率为5％-16％。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示出了根据本专利技术一个实施例的铜基吸光层薄膜的制备方法的示意性流程图；图2示出了根据本专利技术一个实施例的铜基薄膜太阳能电池的示意性结构图；图3示出了本专利技术实施例5的CZTSSe薄膜太阳能电池的光照I-V曲线图；图4示出了本专利技术实施例9的CISe薄膜太阳能电池的光照I-V曲线图；图5示出了本专利技术实施例12的CIGSSe薄膜太阳能电池的光照I-V曲线图；图6示出了本专利技术实施例14的CZGTSSe薄膜太阳能电池的光照I-V曲线图。具体实施方式图1示出了根据本专利技术第一个实施例的铜基吸光层薄膜的制备方法的示意性流程图。如图1所示，该制备方法包括：步骤S100，将金属单质、二硫醚化合物、硫醇化合物、氨/有机胺类化合物和溶剂混合并进行反应，获得金属-硫醇盐配位化合物的前驱体溶液；步骤S200，将前驱体溶液在一基底上成膜，在预设温度下进行加热退火处理，获得吸光层前驱体薄膜；步骤S300，将吸光层前驱体薄膜进行硒化或硫化处理，获得铜基吸光层薄膜。在步骤S100中，对于金属单质、二硫醚化合物、硫醇化合物、氨/有机胺类化合物和溶剂的混合顺序没有特殊的限制。该金属单质包括铜单质，还包括锌、锡、铟、镓、锗、铁、锰以及铝中的一种或多种。在一个优选的实施例中，该金属单质包括铜、锌和锡。在另一个优选的实施例中，该金属单质包括铜、锌和锗。在另一个优选的实施例中，该金属单质包括铜和铟。在另一个优选的实施例中，该金属单质包括铜、铟和镓。这些优选的实施例形成的铜基吸光层薄膜具有高的消光系数和相组成稳定性，可获得高的太阳能电池光电转换效率。该二硫醚化合物在反应中一方面充当氧化剂使得金属单质被氧化为金属离子，另一方面二硫化物被还原后生成配位阴离子与金属离子络合提高金属离子的溶解性。二硫醚化合物选自二硫代二乙醇酸、3,3′-二硫代二丙酸、2,2′-二硫代二丙酸、4,4′-二硫代二丁酸、L-胱氨酸、2,2′-二硫二乙醇、胱胺、胱胺二盐酸盐、二甲基二硫醚、二乙基二硫醚、二丙基二硫醚、二丁基二硫醚、4,4'-联硫基二吡啶以及2,2'-联硫基二吡啶中的一种或多种。在一个优选的实施例中，该二硫醚化合物选自硫代二乙醇酸、3,3′-二硫代二丙酸、2,2′-二硫代二丙酸、2,2′-二硫二乙醇以及胱胺二盐酸盐中的一种或多种。该硫醇类化合物，作为配体与反应生成的金属离子络合，增加溶解性。硫醇类化合物选自巯基乙酸、3-巯基丙酸、2-巯基丙酸、4-巯基丁酸、L-半胱氨酸、巯基乙醇、半胱胺、半胱胺盐酸盐、甲硫醇、乙硫醇、丙硫醇、丁硫醇、4-巯基吡啶以及2-巯基吡啶中的一种或多种。在一个优选的实施例中，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜基吸光层薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n将金属单质、二硫醚化合物、硫醇化合物、氨/有机胺类化合物和溶剂混合并进行反应，获得金属-硫醇盐配位化合物的前驱体溶液；/n将所述前驱体溶液在一基底上成膜，在预设温度下进行加热退火处理，获得吸光层前驱体薄膜；/n将所述吸光层前驱体薄膜进行硒化和/或硫化处理，获得铜基吸光层薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种铜基吸光层薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将金属单质、二硫醚化合物、硫醇化合物、氨/有机胺类化合物和溶剂混合并进行反应，获得金属-硫醇盐配位化合物的前驱体溶液；
将所述前驱体溶液在一基底上成膜，在预设温度下进行加热退火处理，获得吸光层前驱体薄膜；
将所述吸光层前驱体薄膜进行硒化和/或硫化处理，获得铜基吸光层薄膜。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属单质包括铜单质；
所述金属单质还包括锌、锡、铟、镓、锗、铁、锰以及铝中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二硫醚化合物选自二硫代二乙醇酸、3,3′-二硫代二丙酸、2,2′-二硫代二丙酸、4,4′-二硫代二丁酸、L-胱氨酸、2,2′-二硫二乙醇、胱胺、胱胺二盐酸盐、二甲基二硫醚、二乙基二硫醚、二丙基二硫醚、二丁基二硫醚、4,4'-联硫基二吡啶以及2,2'-联硫基二吡啶中的一种或多种。


4.据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硫醇类化合物选自巯基乙酸、3-巯基丙酸、2-巯基丙酸、4-巯基丁酸、L-半胱氨酸、巯基乙醇、半胱胺、半胱胺盐酸盐、甲硫醇、乙硫醇、丙硫醇、丁硫醇、4-巯基吡啶以及2-巯基吡啶中的一种或多种。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗艳红，郭林宝，孟庆波，石将建，李冬梅，吴会觉，
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