一种铜钾锌锡硫吸收层的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种铜钾锌锡硫吸收层的制备方法，属于光电材料制备技术领域。本发明专利技术直接利用铜钾锌锡硫靶材经真空磁控溅射制备铜钾锌锡硫吸收层预制层，再经退火即可得到铜钾锌锡硫吸收层吸收层，钾元素分布均匀，操作简单，工艺稳定性高，生产成本低。具体的，与现有技术相比，本发明专利技术提供的方法减少了溅射后沉积KF的步骤，同时K元素能够均匀分布于最终所得铜钾锌锡硫吸收层吸收层中，K元素钝化缺陷、促进晶粒生长的优势得以在整个铜钾锌锡硫吸收层中均匀体现。层中均匀体现。层中均匀体现。

【技术实现步骤摘要】
一种铜钾锌锡硫吸收层的制备方法


[0001]本专利技术涉及光电材料制备
，尤其涉及一种铜钾锌锡硫吸收层的制备方法。

技术介绍

[0002]铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4，简称CZTS)系薄膜太阳能电池作为第三代太阳电池的代表，具有光电转化效率高、性能稳定、抗辐射性能好和制备成本低等优势。为了获得大晶粒、结晶质量良好的半导体吸收层通常需要高温工艺，但是CZTS吸收层的高温稳定性较差，高温下极易分解进而导致晶体缺陷、成分变化、性能劣化等一系列问题。
[0003]将K元素引入CZTS吸收层中得到CKZTS(铜钾锌锡硫)吸收层，能够钝化CZTS吸收层晶界缺陷，提升CZTS吸收层质量；同时有利于促进元素扩散、帮助晶粒生长，使得在不超过600℃的较低温度条件下即可获得结晶质量良好的CKZTS吸收层。现有技术中制备CKZTS吸收层时，主要包括两种方法，一种方法是利用溅射法制备得到CZTS薄膜或CZT合金预制膜，于该CZTS薄膜或CZT合金预制膜表面采取热蒸发的手段沉积KF(氟化钾)层，并在后续硫化退火过程中，通过元素扩散获得CKZTS吸收层；该方法工序复杂，不利于工业化生产，且K元素集中分布于CZTS表面层，无法实现均匀分布。另一种方法是利用溶液法制备CKZTS吸收层，具体是在CZTS吸收层前驱体溶液基础上添加钾盐；该方法具体是在非真空条件下进行，不适用于大面积生产以及连续性生产，且操作稳定性差。因此，提供一种操作简单、K元素分布均匀的CKZTS吸收层制备方法，是目前亟需要解决的技术问题。

技术实现思路

>[0004]本专利技术的目的在于提供一种铜钾锌锡硫吸收层的制备方法，本专利技术提供的方法操作简单，且制备得到的铜钾锌锡硫吸收层中钾元素分布均匀。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种铜钾锌锡硫吸收层的制备方法，包括以下步骤：
[0007]提供铜钾锌锡硫靶材；
[0008]将所述铜钾锌锡硫靶材进行真空磁控溅射，得到铜钾锌锡硫预制层；
[0009]将所述铜钾锌锡硫预制层进行退火，得到铜钾锌锡硫吸收层；其中，所述铜钾锌锡硫吸收层的组成包括：钾的原子百分比为0.005～10％，S的原子百分含量与Cu、Zn和Sn总的原子百分含量之比为(0.8～1.3)：1，Cu的原子百分含量与Zn和Sn总的原子百分含量之比为(0.6～1.0)：1，Zn的原子百分含量与Sn的原子百分含量之比为(0.8～1.4)：1。
[0010]优选地，所述铜钾锌锡硫靶材的制备方法，包括以下步骤：
[0011]将CZTS粉末和KF粉末进行球磨，得到混合粉料；其中，所述CZTS粉末为Cu2S粉末、ZnS粉末和SnS2粉末的混合物；
[0012]将所述混合粉料进行烧结，得到铜钾锌锡硫靶材。
[0013]优选地，所述球磨为湿磨，所述湿磨后还包括：将所得湿磨物料干燥，得到混合粉
料；
[0014]其中，所述湿磨采用的球磨介质包括乙醇或水，所述CZTS粉末和KF粉末的总质量与磨球、球磨介质的质量比为1：(1～20)：(1～20)；所述湿磨的转速为100～600rpm，时间为0.5～20h。
[0015]优选地，所述烧结的方式包括常压烧结、热压烧结或热等静压烧结。
[0016]优选地，所述常压烧结的操作条件包括：压坯压力为50～300MPa，烧结温度为400～900℃，烧结时间为1～40h；
[0017]所述热压烧结的操作条件包括：烧结温度为400～900℃，烧结压力为30～100MPa，烧结时间为1～40h；
[0018]所述热等静压烧结的操作条件包括：烧结温度为400～900℃，烧结压力为100～300MPa，烧结时间为1～40h。
[0019]优选地，所述真空磁控溅射的操作条件包括：本底真空为1.0
×
10
‑4～1.0
×
10
‑2Pa，工作气体为氩气，工作气压为0.1～10.0Pa，基底温度为20～700℃。
[0020]优选地，所述铜钾锌锡硫预制层的厚度为0.2～5.0μm。
[0021]优选地，所述退火在真空条件下或特定气体气氛条件下进行，所述特定气体包括氩气、氮气和硫化氢中的至少一种。
[0022]优选地，所述退火的温度为300～600℃，时间为0.1～3h。
[0023]优选地，所述铜钾锌锡硫吸收层的厚度为0.2～5.0μm。
[0024]本专利技术提供了一种铜钾锌锡硫吸收层的制备方法，包括以下步骤：提供铜钾锌锡硫靶材；将所述铜钾锌锡硫靶材进行真空磁控溅射，得到铜钾锌锡硫预制层；将所述铜钾锌锡硫预制层进行退火，得到铜钾锌锡硫吸收层；其中，所述铜钾锌锡硫吸收层的组成包括：钾的原子百分比为0.005～10％，S的原子百分含量与Cu、Zn和Sn总的原子百分含量之比为(0.8～1.3)：1，Cu的原子百分含量与Zn和Sn总的原子百分含量之比为(0.6～1.0)：1，Zn的原子百分含量与Sn的原子百分含量之比为(0.8～1.4)：1。本专利技术直接利用铜钾锌锡硫靶材经真空磁控溅射制备CKZTS预制层，再经退火即可得到CKZTS吸收层，钾元素分布均匀，操作简单，工艺稳定性高，生产成本低。具体的，与现有技术相比，本专利技术提供的方法减少了溅射后沉积KF的步骤，同时K元素能够均匀分布于最终所得CKZTS吸收层中，K元素钝化缺陷、促进晶粒生长的优势得以在整个CKZTS吸收层中均匀体现。
[0025]进一步地，本专利技术直接利用CKZTS靶材制备CKZTS吸收层，K元素部分替位Cu元素最终形成CKZTS吸收层，K元素易于聚集在晶粒边界，钝化晶界缺陷，同时K2Se低温液化相有利于促进元素扩散、帮助晶粒生长，在不超过600℃的较低温度条件下即可获得结晶质量良好、具有锌黄锡矿相组成的CKZTS吸收层，所述CKZTS吸收层的禁带宽度在0.95～1.55eV之间可调，迁移率为0.1～100cm2·
V
‑1·
s
‑1，载流子浓度为1
×
10
15
～1
×
10
18
cm
‑3、电阻率小于500Ω
·
cm、微观形貌平整、导电类型为p型。本专利技术提供的CKZTS吸收层可直接用于制备CKZTS薄膜太阳能电池，所得CKZTS薄膜太阳能电池的效率超过5％。
附图说明
[0026]图1为对比例1制备的CZTS吸收层断面SEM照片和实施例3制备的CKZTS吸收层断面SEM照片；
[0027]图2为对比例2制备的CZTS薄膜太阳电池和实施例5制备的CKZTS薄膜太阳电池的伏安特性曲线。
具体实施方式
[0028]本专利技术提供了一种铜钾锌锡硫吸收层的制备方法，包括以下步骤：
[0029]提供铜钾锌锡硫靶材；
[0030]将所述铜钾锌锡硫靶材进行真空磁控溅射，得到铜钾锌锡硫预制层；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜钾锌锡硫吸收层的制备方法，包括以下步骤：提供铜钾锌锡硫靶材；将所述铜钾锌锡硫靶材进行真空磁控溅射，得到铜钾锌锡硫预制层；将所述铜钾锌锡硫预制层进行退火，得到铜钾锌锡硫吸收层；其中，所述铜钾锌锡硫吸收层的组成包括：钾的原子百分比为0.005～10％，S的原子百分含量与Cu、Zn和Sn总的原子百分含量之比为(0.8～1.3)：1，Cu的原子百分含量与Zn和Sn总的原子百分含量之比为(0.6～1.0)：1，Zn的原子百分含量与Sn的原子百分含量之比为(0.8～1.4)：1。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铜钾锌锡硫靶材的制备方法，包括以下步骤：将CZTS粉末和KF粉末进行球磨，得到混合粉料；其中，所述CZTS粉末为Cu2S粉末、ZnS粉末和SnS2粉末的混合物；将所述混合粉料进行烧结，得到铜钾锌锡硫靶材。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述球磨为湿磨，所述湿磨后还包括：将所得湿磨物料干燥，得到混合粉料；其中，所述湿磨采用的球磨介质包括乙醇或水，所述CZTS粉末和KF粉末的总质量与磨球、球磨介质的质量比为1：(1～20)：(1～20)；所述湿磨的转速为100～600rpm，时间为0.5～20h。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的方式包括常压烧结、热压烧结或...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄大明，赵明，任国铵，王晨，李羽娴，董梁正，陶圣叶，仝浩，王汉鹏，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：