一种基于调控前驱体薄膜铜组分制备铜铟硒硫薄膜太阳电池的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于调控前驱体薄膜铜组分制备铜铟硒硫薄膜太阳电池的方法，以二甲基甲酰胺为溶剂，氯化亚铜

【技术实现步骤摘要】
一种基于调控前驱体薄膜铜组分制备铜铟硒硫薄膜太阳电池的方法


[0001]本专利技术属于光电子器件技术应用领域，尤其针对溶液法制备高质量铜基薄膜太阳电池吸收层以及为其在叠层光伏器件中进一步应用开发奠定基础
。
特别是提出一种基于调控前驱体薄膜铜组分制备铜铟硒硫
(CISSe)
薄膜太阳电池的方法
。

技术介绍

[0002]现如今，在光伏电池领域，晶硅太阳电池占据主导地位，尽管硅基太阳能技术已经达到了很高的工业发展水平，但由于对材料和加工的严格要求，其生产成本仍然很高
。
近年来，特别是薄膜光伏器件，相比于传统的晶硅器件显现出明显的优势，例如只需要1‑2μ
m
的厚度便可以吸收绝大部分的太阳光，在这些薄膜光伏技术中，多晶薄膜黄铜矿铜铟镓硒
Cu(In,Ga)(Se,S)2(CIGS)
太阳能电池最高光电转换效率已经达到
23.35
％，但是基于真空技术制备
CIGS
太阳电池其成本依旧较高，在
2020
年的全球光伏市场份额中，
CIGS
太阳电池的贡献仍不足2％
。
因此为了进一步降低
CIGS
薄膜技术的制造成本，从而提升在光伏市场中的竞争力迫在眉睫，这需要发展制造成本低廉的
CIGS
薄膜生长技术，比如溶液法，这样便可以大幅降低其大规模生产制造成本
。
此外，为了打破单节光伏器件的肖克利奎伊瑟
Shockley
–
Queisser(SQ)
效率限制，基于
CIGS
的叠层技术也在不断发展，但是在串联结构中，
CIGS(1.2eV)
作为叠层器件中底层电池，其对于长波段的响应较弱，而
CISSe(
约
1eV)
作为底电池制备叠层光伏器件显得更有应用前景，其对于长波段吸收更好，但是现如今
CISSe
制备的电池效率最高为真空法制备的
16
％，因此进一步研究并改善基于溶液法制备
CISSe
薄膜电池对于推动其单节或叠层光伏器件发展具有重要意义
。
[0003]现阶段，分子前驱体溶液法制备
CISSe
薄膜太阳电池是一种相对较为成熟的方法，该方法首先在衬底上重复旋涂铜组分相同的前驱体溶液，再经过烧结退火获得前驱体薄膜，然后经过硒化获得吸收层，最后再沉积缓冲层
、
窗口层和电极制备出最终的
CISSe
太阳电池器件
。
制备出高质量
CISSe
吸收层是进一步提升溶液法制备
CISSe
薄膜太阳电池效率的关键所在，但是相对于真空方法，采用分子前驱体溶液法基于单铜组分制备的吸收层一般质量不高，同时还伴随着大量体缺陷的产生，这些均会使最终的器件性能恶化
。
当前主要的策略是通过引入额外阳离子
(
如
Li、Na、K、Rb、Sb、Al
等
)
，一方面可以提升晶体结晶质量，另一方面可以有效钝化吸收层中的不利缺陷，但这必然会使操作繁琐，同时后期电池处理也会增加新的金属离子回收问题
。
其次，一般在吸收层制备完成后都需要经过表面刻蚀的过程，这主要是由于在硒化薄膜生长的过程中会产生过量的
Cu2‑
x
Se
存在于在吸收层内部或者表面产生，从而形成导电通道或复合中心，降低载流子寿命，所以往往需要额外的刻蚀来消除这种副产品，但是这也同样会使实验变得繁琐，增加额外的实验操作，提高实验成本
。
因此是否可以寻找一种简单策略，在不采用额外阳离子掺杂以及后刻蚀处理等操作的前提下，制备高质量的
CISSe
吸收层从而获得高的器件效率
。

技术实现思路

[0004]根据现有技术的不足，本专利技术通过研发，仅仅在旋涂过程中通过简单调整铜组分来制备出具有双铜组分或三铜组分的前躯体薄膜，在不进行额外掺杂以及刻蚀的前提下制备出对应高质量的吸收层，从而基于此方法制备的
CISSe
薄膜太阳电池相应的电池性能有了明显提升
。
本专利技术有效解决了溶液法制备
CISSe
薄膜质量较差，从而导致器件效率损失的问题
。
同时，基于调控前驱体薄膜中的铜组分方法来制备的
CISSe
薄膜不需要进行额外的离子掺杂以及刻蚀来钝化缺陷，从而会简化制备流程，降低成本
。
[0005]本专利技术关键在不进行额外掺杂和刻蚀的情况下，仅仅在旋涂过程中通过简单调整铜组分来制备出具有双铜组分或三铜组分的前躯体薄膜，从而来制备高效
CISSe
薄膜太阳电池的方法
。
[0006]为实现以上目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术首先通过调控前驱体薄膜中的铜组分来制备不同铜组分梯度的
CIS
前驱体薄膜，具体包括：
[0008]一种基于调控前驱体薄膜铜组分制备铜铟硒硫薄膜太阳电池的方法；双铜组分包括如下步骤：
[0009]1)
首先配置前驱体溶液：将硫脲
,
氯化亚铜和四水合三氯化铟依次加入到二甲基甲酰胺溶剂中来制备澄清前驱体溶液；要求后加入的原料需要在前一种原料已经溶解，硫脲与所有金属盐之和的摩尔比为3；基于单铜组分制备前驱体薄膜制备电池效率，遴选出最优
CuCl
和
InCl3·
4H2O
的摩尔比，简写为
Cu/In
的比值
Q
；
[0010]2)
通过调控前驱体薄膜铜组分来制备双铜组分的前驱体薄膜：在基于最优单铜组分制备前驱体薄膜
Cu/In
＝
Q
的基础上，选出两种不同
Cu/In
值的前驱体溶液
,
即
Cu/In
＝
Q
‑
0.05
和
Q+0.05,
并且
Cu/In
不大于1；制备出双铜组分前驱体薄膜所需要重复旋涂前驱体溶液的次数为
10
次，前5次旋涂
Cu/In
＝
Q+0.05
的前驱体溶液，而后5次旋涂
Cu/In
＝
Q
‑
0.05
的前驱体溶液；进行每一次的旋涂退火过程中，采用热台退火干燥，在经过
10
次前驱体溶液反复旋涂和退火后得到便是最终的前驱体薄膜，然后经过退火炉硒化得到吸收层；
[0011]3)
在吸收层上继续沉积缓冲层
、
窗口层以及顶电极制备成最终基于双铜组分前驱体薄膜的
CISS本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于调控前驱体薄膜铜组分制备铜铟硒硫薄膜太阳电池的方法；其特征是，包括如下步骤：
1)
首先配置前驱体溶液：将硫脲
,
氯化亚铜和四水合三氯化铟依次加入到二甲基甲酰胺溶剂中来制备澄清前驱体溶液；要求后加入的原料需要在前一种原料已经溶解，硫脲与所有金属盐之和的摩尔比为3；基于单铜组分制备前驱体薄膜制备电池效率，遴选出最优
CuCl
和
InCl3·
4H2O
的摩尔比，简写为
Cu/In
的比值
Q
；
2)
通过调控前驱体薄膜铜组分来制备双铜组分的前驱体薄膜：在基于最优单铜组分制备前驱体薄膜
Cu/In
＝
Q
的基础上，选出两种不同
Cu/In
值的前驱体溶液
,
即
Cu/In
＝
Q
‑
0.05
和
Q+0.05,
并且
Cu/In
不大于1；制备出双铜组分前驱体薄膜所需要重复旋涂前驱体溶液的次数为
10
次，前5次旋涂
Cu/In
＝
Q+0.05
的前驱体溶液，而后5次旋涂
Cu/In
＝
Q
‑
0.05
的前驱体溶液；进行每一次的旋涂退火过程中，采用热台退火干燥，在经过
10
次前驱体溶液反复旋涂和退火后得到便是最终的前驱体薄膜，然后经过退火炉硒化得到吸收层；
3)
在吸收层上继续沉积缓冲层
、
窗口层以及顶电极制备成最终基于双铜前驱体薄膜的
CISSe
薄膜太阳电池
。2.
一种基于调控前驱体薄膜铜组分制备铜铟硒硫薄膜太阳电池的方法；其特征是，包括如下步骤：
1)
首先配置前驱体...

【专利技术属性】
技术研发人员：张毅，徐学军，罗雯轩，孟汝涛，刘越，张华美，王作允，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：