專利名稱：用銅鋅錫硫化合物單一靶材制備薄膜太陽(yáng)能電池的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能領(lǐng)域，具體涉及ー種用銅鋅錫硫化合物單ー靶材制備薄膜太陽(yáng)能電池的方法。
背景技術(shù)：
地球上可利用的能源日趨短少，而石化能源在使用過(guò)程中會(huì)排放碳、硫的氧化物造成空氣污染并且加劇地球的溫室效應(yīng)，使地球的環(huán)境惡化氣候異常，已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)了。因此開(kāi)發(fā)無(wú)污染的可再生能源是當(dāng)前世界各國(guó)的首要科研項(xiàng)目之一。而太陽(yáng)能的利用是無(wú)污染、可再生能源的最佳選擇，太陽(yáng)能的適用范圍在地球上幾乎是各處皆可以，并且太陽(yáng)能是目前唯一被公認(rèn)取之不盡用之不竭的無(wú)污染的可再生能源。開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能首重的是開(kāi)發(fā)可以產(chǎn)生高效率轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的材料。
I-III-VI2具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體為直接帶隙材料，能吸收波長(zhǎng)范圍較大的太陽(yáng)光，且能調(diào)變自身組成以達(dá)到P型、η型半導(dǎo)體，是公認(rèn)作為太陽(yáng)能電池主吸收層的最佳材料之一，例如Cu (Zn，Sn) S2，銅鋅錫ニ硫，簡(jiǎn)稱CZTS，為目前具有最高光吸收能力的半導(dǎo)體。由于CZTS的高光吸收率優(yōu)勢(shì)，使得CZTS吸收層的厚度在I 2微米即可，以ー般粗略估算，在量產(chǎn)制造吋，半導(dǎo)體材料費(fèi)用低于O. 05美元/瓦，因此極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，并有望使太陽(yáng)能發(fā)電可以與傳統(tǒng)的石化燃料發(fā)電成本相同甚至更低。因此如何制備低成本高效率的I-III-VI2具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體，是目前最值得開(kāi)發(fā)研究的課題之CZTS薄膜太陽(yáng)能電池除了材料的使用不同于其他種太陽(yáng)能電池之外，尚具有兩大特征，其一是其光電轉(zhuǎn)換層厚度能薄至數(shù)微米，據(jù)此除可降低材料成本，同時(shí)還可節(jié)省制造時(shí)所投入之能源。光電轉(zhuǎn)換層一旦變薄，CZTS材料的光吸收能力會(huì)變得相當(dāng)高。另ー特征則是其理論性的發(fā)電效率可高達(dá)10 15%，比單晶硅高出許多。CZTS半導(dǎo)體具有在厚度方面改變其組成并能控制其吸收波長(zhǎng)范圍的性質(zhì)，若在該組成成分上適當(dāng)調(diào)配，讓吸收波長(zhǎng)范圍變廣，就能提高太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率。CZTS薄膜太陽(yáng)能電池還有一大特色，那就是它在光或放射線照射下，具有比多晶硅太陽(yáng)能電池更難以劣化的優(yōu)勢(shì)，有性能穩(wěn)定不衰退、抗輻射能力強(qiáng)、在陰雨天氣下發(fā)出電量高等特點(diǎn)。另外已有試驗(yàn)證明其穩(wěn)定性佳不衰退、抗輻射能力強(qiáng)，產(chǎn)品壽命較長(zhǎng)。CZTS太陽(yáng)能電池屬于直接遷移能階結(jié)構(gòu)，具有良好的光吸收特性，其光吸收系數(shù)優(yōu)于其它太陽(yáng)能電池，是各種薄膜太陽(yáng)能電池之首，另外CZTS太陽(yáng)能電池具有柔和、輕便等特點(diǎn)，是最有前途的新一代太陽(yáng)能電池之一?，F(xiàn)在最成熟的薄膜太陽(yáng)能電池是碲化鎘(CdTe)，但是碲材料能源短缺，而銅、鋅、錫、硫能源豐富，并且沒(méi)有毒性。CZTS薄膜太陽(yáng)能電池是多層膜結(jié)構(gòu)組件，其主要結(jié)構(gòu)有基底(通常是玻璃、柔性的不銹鋼或聚合物)、背電極(通常是Mo)、吸收層(p-CZTS)、緩沖層(通常是n-In2S3)、透明導(dǎo)電層(通常是本征ZnO及Al摻雜ZnO雙層結(jié)構(gòu))、上電極(通常為Ni/Al)、減反射層(通常是MgF2，不一定要有)。各層膜的結(jié)構(gòu)與特性都將影響CZTS電池的性能。目前的熱門(mén)研究工作主要集中在吸收層制備エ藝開(kāi)發(fā)、替代緩沖層的研發(fā)。
文獻(xiàn)中已記載制備CZTS薄膜的方法主要有(I)硫化法，(2)疊層法，(3)多源(ニ或三源)蒸發(fā)法，(4)濺射法，(5)沉積法，(6)噴涂法，(7)旋涂法，(8)真空加熱合成法等。而這(I)硫化法，(2)疊層法，(3)多源(ニ或三源)蒸發(fā)法，(4)濺射法皆在某個(gè)エ藝流程中需要對(duì)CZTS薄膜進(jìn)行硫化處理，通過(guò)硫化處理可以使S原子經(jīng)擴(kuò)散作用與Cu-Zn-Sn進(jìn)行反應(yīng)生成CuZnSnS化合物，此過(guò)程稱為硫化。硫化制備I-III-VI2具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的薄膜太陽(yáng)能電池的方法存在著下列幾個(gè)缺點(diǎn)I.生產(chǎn)周期長(zhǎng),生產(chǎn)效率低；2. S的沸點(diǎn)是444. 6°C，S化的溫度高于444. 6V ；3.消耗S多只有部分S蒸汽能夠與Cu-Zn-Sn層接觸； 4. S的蒸汽有劇毒，容易造成安全事故氣態(tài)的S遇水(包括空氣中的水)即形成氣態(tài)H2S (是ー種毒氣)；另外，氣態(tài)S對(duì)其他金屬具有很強(qiáng)的腐蝕性，容易泄露出S蒸汽；5.硫化法制備的CuZnxSnx_lS2化合物薄膜中，S的分布不均勻，存在梯度靠近鑰(Mo)層處S含量低。CZTS薄膜太陽(yáng)能電池通常使用硫化鎘CdS作為緩沖層，鎘會(huì)有導(dǎo)致鎘中毒的潛在危險(xiǎn)。鎘中毒是接觸鎘或其化合物所導(dǎo)致的ー種中毒現(xiàn)象。急性鎘中毒主要損害呼吸系統(tǒng)，主要因吸入大量含有鎘化合物的煙塵所致。慢性鎘中毒則會(huì)引起腎小管病變，繼而使腎功能衰竭，也會(huì)導(dǎo)致骨骼軟化(骨質(zhì)疏松癥)，睪丸縮小，嗅覺(jué)消失，及其它器官的損害。種植在鎘污染的土地上的植物也可以帶有鎘，食用，和吸食(比如大麻)可以引起鎘中毒。另外鎘污染的水源也可以引起中毒。由于鎘被廣泛用于制造業(yè)上，故此職業(yè)性鎘中毒為最常見(jiàn)的鎘中毒。高危行業(yè)包括涉及鎘的冶煉和焊接、鎳鎘電池制造、顔料制造、金屬表層鍍鎘等等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用銅鋅錫硫化合物單ー靶材制備薄膜太陽(yáng)能電池的方法，能夠在無(wú)污染的情況下制備I-III-VI2具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的薄膜太陽(yáng)能電池。本發(fā)明提供了一種用銅鋅錫硫化合物單ー靶材制備薄膜太陽(yáng)能電池的方法，該方法包括A.利用真空磁控濺射法，在鈉鈣玻璃鑰(Mo)襯底或不銹鋼片鑰(Mo)襯底上濺射具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的I - III - VI 2銅鋅錫硫化合物単一靶材，形成太陽(yáng)能電池吸收層；B.在真空環(huán)境下，對(duì)A步驟制備的太陽(yáng)能電池吸收層進(jìn)行退火處理；C.利用真空磁控濺射法，在B步驟處理后的所述太陽(yáng)能電池吸收層上沉積In2Se3或In2S3緩沖層；D.利用射頻真空磁控濺射法，在步驟C沉積的In2Se3或In2S3緩沖層上進(jìn)行本征氧化鋅i-ZnO高阻抗層的沉積；E.利用射頻真空磁控濺射法，在步驟D沉積的所述本征氧化鋅i-ZnO上進(jìn)行參鋁氧化鋅ZnO: Al低阻抗層的沉積。在所述步驟A中，所述I - III - VI 2銅鋅錫硫化合物単一靶材優(yōu)選為CuZnxSrvxS2單ー I巴材。在所述步驟A中，優(yōu)選為進(jìn)行兩次濺射，第一次以富銅的CuZnxSrvxS2単一靶材濺射，形成富銅薄膜太陽(yáng)能電池吸收層；第二次以貧銅的CuZnxSrvxS2単一靶材濺射，形成貧銅薄膜太陽(yáng)能電池吸收層。所述富銅的銅鋅錫硫化合物單ー靶材中銅原子的比例優(yōu)選為24. 59Γ27%，硫原子的質(zhì)量比例優(yōu)選為46°/Γ49% ；和/或，所述貧銅的銅鋅錫硫化合物單ー靶材中銅原子的質(zhì)量比例優(yōu)選為209Γ24%，硫原子的質(zhì)量比優(yōu)選為50°/Γ53%。所述步驟A中，所述真空磁控濺射法的真空度優(yōu)選為I X 10-^5 X 10_3托，優(yōu)選為通入含有體積比為5%02的氬氣Ar氣體，所述鈉鈣玻璃鑰(Mo)襯底或不銹鋼片鑰(Mo)襯底的溫度優(yōu)選為350°C 450°C，所述富銅薄膜、所述貧銅薄膜的沉積厚度分別優(yōu)選為I微米 2微米。
退火溫度優(yōu)選為450°C ^580°C，持續(xù)時(shí)間優(yōu)選為2 3小吋。在步驟C中，所述真空磁控濺射法的參數(shù)優(yōu)選為I X 10-^5 X 10_3托，并優(yōu)選為通入氬氣Ar氣，襯底的溫度優(yōu)選保持10°C 30°C，所述In2Se3或In2S3緩沖層的厚度優(yōu)選為5納米。在步驟D中，所述射頻真空磁控濺射法使用的靶材優(yōu)選為氧化鋅(ZnO)，真空濺射的參數(shù)優(yōu)選為1\10-3飛父10-3托，頻率優(yōu)選為400kHz 2MHz，并優(yōu)選通入氬氣Ar氣，襯底的溫度優(yōu)選保持10°C 30°C，所述本征氧化鋅(i-ZnO)高阻抗層的厚度優(yōu)選為5 20納米。在步驟E中，所述射頻真空磁控濺射法使用的靶材優(yōu)選為氧化鋅ZnO:鋁Al，真空濺射的參數(shù)優(yōu)選為I X 10_3飛X 10_3托，并優(yōu)選通入含有5%02的氬氣(Ar)氣，襯底的溫度優(yōu)選保持10°C 30°C，所述氧化鋅的薄膜厚度優(yōu)選為O. 3^0. 6微米。通過(guò)本發(fā)明提供ー種銅鋅錫硫化合物單ー靶材制備薄膜太陽(yáng)能電池的方法，能夠達(dá)到如下的有益效果I.本發(fā)明所有的エ藝皆為干式エ藝流程，エ藝過(guò)程不使用化學(xué)溶劑與溶液。太陽(yáng)能吸收層的薄膜制備采用ー步濺射法，就是將已經(jīng)制備好的CZTS材料(靶)通過(guò)一次濺射即可制得成份均勻的CZTS薄膜，采用ー步驟的濺射即可得到穩(wěn)定結(jié)晶的化合物，不再需要對(duì)薄膜進(jìn)行硫化的エ業(yè)程序，大大縮短了生產(chǎn)周期，減少了生產(chǎn)設(shè)備，也避免了生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境污染和潛在的危險(xiǎn)。エ藝步驟簡(jiǎn)化，能源消耗小，因此降低了生產(chǎn)成本。2.本發(fā)明也改進(jìn)了使用硫化鎘(CdS)的緩沖層的傳統(tǒng)，使用In2Se3或In2S3，這兩種化合物皆不含鎘。顯現(xiàn)了環(huán)保價(jià)值。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，以下將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，以下描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖所示實(shí)施例得到其它的實(shí)施例及其附圖。圖I為本發(fā)明ー個(gè)具體實(shí)施例的流程示意圖；圖2為本發(fā)明生產(chǎn)的某一種太陽(yáng)能電池吸收層Cu (Zn，Sn) S2的x射線薄膜的結(jié)構(gòu)特性圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明各實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出 創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所得到的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。本發(fā)明提供一種用銅鋅錫硫化合物單ー靶材制備薄膜太陽(yáng)能電池的方法，該方法包括A.利用真空磁控濺射法，在鈉鈣玻璃鑰(Mo)襯底或不銹鋼片鑰(Mo)襯底上濺射具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的I - III - VI 2銅鋅錫硫化合物単一靶材，形成太陽(yáng)能電池吸收層；B.在真空環(huán)境下，對(duì)A步驟制備的太陽(yáng)能電池吸收層進(jìn)行退火處理；C.利用真空磁控濺射法，在B步驟處理后的所述太陽(yáng)能電池吸收層上沉積In2Se3或In2S3緩沖層；D.利用射頻真空磁控濺射法，在步驟C沉積的In2Se3或In2S3緩沖層上進(jìn)行本征氧化鋅(i-ZnO)高阻抗層的沉積；E.利用射頻真空磁控濺射法，在步驟D沉積的所述本征氧化鋅(i-ZnO)上進(jìn)行參鋁氧化鋅ZnO: Al低阻抗層的沉積。本發(fā)明所有的エ藝皆為干式エ藝流程，エ藝過(guò)程不使用化學(xué)溶劑與溶液。太陽(yáng)能吸收層的薄膜制備采用ー步濺射法，就是將已經(jīng)制備好的CZTS材料(靶)通過(guò)一次濺射即可制得成份均勻的CZTS薄膜，采用ー步驟的濺射即可得到穩(wěn)定結(jié)晶的化合物，不再需要對(duì)薄膜進(jìn)行硫化的エ業(yè)程序，大大縮短了生產(chǎn)周期，減少了生產(chǎn)設(shè)備，也避免了生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境污染和潛在的危險(xiǎn)。エ藝步驟簡(jiǎn)化，能源消耗小，因此降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明也改進(jìn)了使用硫化鎘(CdS)的緩沖層的傳統(tǒng),使用In2Se3或In2S3,這兩種化合物皆不含鎘，顯現(xiàn)了環(huán)保價(jià)值。在所述步驟A中，所述I - III - VI 2銅鋅錫硫化合物単一靶材優(yōu)選為CuZnxSrvxS2單ー I巴材。在所述步驟A中，優(yōu)選為進(jìn)行兩次濺射，第一次以富銅的CuZnxSrvxS2単一靶材濺射，形成富銅薄膜太陽(yáng)能電池吸收層；第二次以貧銅的CuZnxSrvxS2単一靶材濺射，形成貧銅薄膜太陽(yáng)能電池吸收層。所述富銅的銅鋅錫硫化合物單ー靶材中銅原子的比例優(yōu)選為24. 59Γ27%，硫原子的質(zhì)量比例優(yōu)選為46°/Γ49% ；和/或，所述貧銅的銅鋅錫硫化合物單ー靶材中銅原子的質(zhì)量比例優(yōu)選為209Γ24%，硫原子的質(zhì)量比優(yōu)選為50°/Γ53%。所述步驟A中，所述真空磁控濺射法的真空度優(yōu)選為I X 10-^5 X 10_3托，優(yōu)選為通入含有體積比為5%02的氬氣(Ar)氣體，所述鈉鈣玻璃鑰(Mo)襯底或不銹鋼片鑰(Mo)襯底的溫度優(yōu)選為350°C ^450°C，所述富銅薄膜、所述貧銅薄膜的沉積厚度分別優(yōu)選為I微米 I微米。退火溫度優(yōu)選為450°C ^580°C，持續(xù)時(shí)間優(yōu)選為2 3小吋。
在步驟C中，所述真空磁控濺射法的參數(shù)優(yōu)選為I X 10-^5 X 10_3托，并優(yōu)選為通入氬氣(Ar)氣，襯底的溫度優(yōu)選保持10°C 30°C，所述In2Se3或In2S3緩沖層的厚度優(yōu)選為5納米。在步驟D中，所述射頻真空磁控濺射法使用的靶材優(yōu)選為氧化鋅(ZnO)，真空濺射的參數(shù)優(yōu)選為1\10-3飛父10-3托，頻率優(yōu)選為400kHz 2MHz，并優(yōu)選通入氬氣(Ar)氣，襯底的溫度優(yōu)選保持10°C 30°C，所述本征氧化鋅(i-ZnO)高阻抗層的厚度優(yōu)選為5 20納米。在步驟E中，所述射頻真空磁控濺射法使用的靶材優(yōu)選為氧化鋅(ZnO):鋁(Al)，真空濺射的參數(shù)優(yōu)選為1父10-3飛\10-3托，并優(yōu)選通入含有5%02的氬氣(Ar)氣，襯底的溫度優(yōu)選保持10°C 30°C，所述氧化鋅的薄膜厚度優(yōu)選為O. 3^0. 6微米。下面，本發(fā)明將通過(guò)ー個(gè)具體實(shí)施例來(lái)詳細(xì)敘述銅鋅錫硫化合物單ー靶材制備薄膜太陽(yáng)能電池的方法，如圖1，所示步驟101，制備不銹鋼片鑰(Mo)襯底； 在O. 3毫米厚度的304不銹鋼片上采用磁控濺射沉積O. 8微米厚的鑰(Mo)金屬。需要說(shuō)明的是，不銹鋼片的型號(hào)、厚度還可以具備其他值進(jìn)行限定，比如O. 35毫米厚的304不銹鋼片，鑰(Mo)金屬層的厚度也可以具備ー個(gè)范圍，比如O. 75毫米、O. 85毫米的鑰金屬層。步驟102，采用真空磁控濺射法，形成富銅薄膜太陽(yáng)能吸收層；采用富銅的CuZnxSrvxS2單ー祀材(即富銅的I _ III _ VI 2銅鋅錫硫化合物單ー靶材)做靶材，采用真空磁控濺射法，其中真空參數(shù)為I X 10-^5 X 10_3托(Torr)，通入含有體積比5%02的氬氣(Ar)氣體，不銹鋼片鑰(Mo)襯底的溫度保持在350°C ^450°C,比如350 V、380 V、400 V、420 V、450 V或任意兩值之間的范圍，進(jìn)行濺射，形成的富銅薄膜的沉積厚度為I微米 2微米，比如1微米、I. 5微米、I. 6微米、I. 7微米、I. 8微米、I. 9微米、
2.O微米或任意兩值之間的范圍。需要說(shuō)明的是，其中富銅的CuZnxSrvxS2単一靶材中的銅原子的質(zhì)量比例為24. 5% 27%，比如，24. 5%、25%、25. 5%、26%、26. 5%、27%或任意兩值之間的范圍，硫原子的質(zhì)量比例為46% 49%，比如，46%、47%、48%、49%或任意兩值之間的范圍。步驟103，采用真空磁控濺射法，形成貧銅薄膜太陽(yáng)能吸收層；采用貧銅的CuZnxSrvxS2單ー祀材(即貧銅的I _ III _ VI 2銅鋅錫硫化合物單ー靶材)做靶材，采用真空磁控濺射法，其中真空參數(shù)為I X 10-^5 X 10_3托(Torr)，通入含有體積比5%02的氬氣(Ar)氣體，不銹鋼片鑰(Mo)襯底的溫度保持在350°C ^450°C,比如350 V、380 V、400 V、420 V、450 V或任意兩值之間的范圍，在富銅薄膜上進(jìn)行濺射，形成的貧銅薄膜的沉積厚度為I微米 tI微米，比如1微米、I. 5微米、I. 6微米、I. 7微米、I. 8微米、I. 9微米、2. O微米或任意兩值之間的范圍。需要說(shuō)明的是，其中貧銅的CuZnxSrvxS2単一靶材中的銅原子的質(zhì)量比例為20% 24%，比如，20%、20· 5%、21%、21· 5%,22%,22. 5%,23%,23. 5%、24% 或任意兩值之間的范圍，硫原子的質(zhì)量比例為50% 53%，比如，50%、50. 5%、51%、51. 5%、52%、52. 5%、53%或任意兩值之間的范圍。步驟104，在真空環(huán)境下，對(duì)A步驟制備的太陽(yáng)能電池吸收層進(jìn)行退火處理；以快速加熱的方式進(jìn)行退火處理，使得步驟102、步驟103形成的富銅太陽(yáng)能吸收層、貧銅太陽(yáng)能吸收層晶體成長(zhǎng)，提高結(jié)晶狀態(tài)，鞏固太陽(yáng)能電池主吸收層的光伏發(fā)電效率。退火溫度為450°C 580°C，持續(xù)時(shí)間為2 3小時(shí)。步驟105，利用真空磁控濺射法，在步驟104處理后的太陽(yáng)能電池吸收層上沉積In2S3緩沖層；此步驟中，真空磁控濺射法中的真空度為1X10_，5X10_3托(Torr)，通入氬氣((Ar)氣)，襯底的溫度保持在室溫，通常為10°C 30°C，In2S3緩沖層的厚度為5納米，襯底也是鈉鈣玻璃(Mo)襯底或不銹鋼片(Mo)襯底。需要說(shuō)明的是In2S3緩沖層也可以用其他的緩沖層代替，比如=In2Se3緩沖層，其厚度也為5納米。 本發(fā)明不再使用傳統(tǒng)的硫化鎘CdS的緩沖層，采用In2S3緩沖層或In2Se3緩沖層，這兩種化合物皆不含鎘，是ー種環(huán)保材料。步驟106，利用射頻真空磁控濺射法，在步驟105沉積的In2Se3緩沖層上進(jìn)行本征氧化鋅(i-ZnO)高阻抗層的沉積；所述射頻真空磁控濺射法使用的靶材為氧化鋅(ZnO)，真空濺射的真空度為1\10-3 5父10-3托(1'01'10，頻率為400詘21取，并通入氬氣(Ar)氣，襯底的溫度保持室溫，通常為10°C 30°C，所述本征氧化鋅(i-ZnO)高阻抗層的厚度為5 20納米，比如，5納米、8納米、10納米、13納米、15納米、18納米、20納米或其中任意兩值之間的范圍,襯底也是鈉鈣玻璃(Mo)襯底或不銹鋼片(Mo)襯底。步驟107，利用射頻真空磁控濺射法，在步驟106沉積的本征氧化鋅(i_ZnO)高阻抗層上進(jìn)行參鋁氧化鋅Ζη0:Α1低阻抗層的沉積。在本步驟中，所述射頻真空磁控濺射法使用的靶材為氧化鋅(ZnO):鋁(Al)，真空濺射的參數(shù)為1X10_3、X10_3托，并通人含有體積比為5%02的氬氣(Ar)氣，襯底的溫度保持室溫，通常為10°C 30°C，襯底也是鈉鈣玻璃(Mo)襯底或不銹鋼片(Mo)襯底，所述氧化鋅的薄膜厚度為O. 3^0. 6微米，比如，O. 3微米、O. 35微米、O. 4微米、O. 45微米、O. 5微米、
O.55微米、O. 6微米或其中任意兩值之間的范圍。再以Al靶材濺射Al電極，最終得到Cu(Zn, Sn) S2化合物單ー祀材制備的薄膜太陽(yáng)能電池。這種太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓為465mV，短路電流為24. 3mA/cm2，填充因子為58%，光電轉(zhuǎn)換效率為6. 3%。對(duì)該太陽(yáng)能電池進(jìn)行X射線衍射其薄膜結(jié)構(gòu)特性圖，見(jiàn)圖2，所示，在平面(112)(220)及平面方向(312)有特征峰值，顯示其結(jié)晶形態(tài)質(zhì)量良好。通過(guò)本發(fā)明提供ー種銅鋅錫硫化合物單ー靶材制備薄膜太陽(yáng)能電池的方法，能夠達(dá)到如下的有益效果I.本發(fā)明所有的エ藝皆為干式エ藝流程，エ藝過(guò)程不使用化學(xué)溶劑與溶液。太陽(yáng)能吸收層的薄膜制備采用ー步濺射法，就是將已經(jīng)制備好的CZTS材料(靶)通過(guò)一次濺射即可制得成份均勻的CZTS薄膜，采用ー步驟的濺射即可得到穩(wěn)定結(jié)晶的化合物，不再需要對(duì)薄膜進(jìn)行硫化的エ業(yè)程序，大大縮短了生產(chǎn)周期，減少了生產(chǎn)設(shè)備，也避免了生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境污染和潛在的危險(xiǎn)。エ藝步驟簡(jiǎn)化，能源消耗小，因此降低了生產(chǎn)成本。2.本發(fā)明也改進(jìn)了使用硫化鎘(CdS)的緩沖層的傳統(tǒng)，使用In2Se3或In2S3，這兩種化合物皆不含鎘。顯現(xiàn)了環(huán)保價(jià)值。本發(fā)明提供的各種實(shí)施例可根據(jù)需要以任意方式相互組合，通過(guò)這種組合得到的技術(shù)方案，也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍 之內(nèi)，則本發(fā)明也包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用銅鋅錫硫化合物單ー靶材制備薄膜太陽(yáng)能電池的方法，其特征在于，該方法包括 A.利用真空磁控濺射法，在鈉鈣玻璃鑰Mo襯底或不銹鋼片鑰Mo襯底上濺射具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的I - III - VI 2銅鋅錫硫化合物単一靶材，形成太陽(yáng)能電池吸收層； B.在真空環(huán)境下，對(duì)A步驟制備的太陽(yáng)能電池吸收層進(jìn)行退火處理； C.利用真空磁控濺射法，在B步驟處理后的所述太陽(yáng)能電池吸收層上沉積In2Se3或In2S3緩沖層； D.利用射頻真空磁控濺射法，在步驟C沉積的In2Se3或In2S3緩沖層上進(jìn)行本征氧化鋅i-ZnO高阻抗層的沉積； E.利用射頻真空磁控濺射法，在步驟D沉積的所述本征氧化鋅i-ZnO上進(jìn)行參鋁氧化鋅ZnO: Al低阻抗層的沉積。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述步驟A中，所述I-III-VI 2銅鋅錫硫化合物單ー祀材為CuZnxSrvxS2單ー祀材。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步驟A中，進(jìn)行兩次濺射，第一次以富銅的CuZnxSrvxS2単一靶材濺射，形成富銅薄膜太陽(yáng)能電池吸收層；第二次以貧銅的CuZnxSrvxS2單ー祀材派射,形成貧銅薄膜太陽(yáng)能電池吸收層。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在干， 所述富銅的銅鋅錫硫化合物單ー靶材中銅的原子比例為24. 59Γ27%，硫的原子比例為46%"49% ； 和/或， 所述貧銅的銅鋅錫硫化合物單ー靶材中銅的原子比例為209Γ24%，硫的原子比50% 53%。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在干， 所述步驟A中，所述真空磁控濺射法的真空度為I X 10_3飛X 10_3托，通入含有體積比為5%02的氬氣Ar氣體，所述鈉鈣玻璃鑰Mo襯底或不銹鋼片鑰Mo襯底的溫度為350°C 450°C，所述富銅薄膜、所述貧銅薄膜的沉積厚度分別為I微米 cI微米。
6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法,其特征在于， 退火溫度為450°C 580°C，持續(xù)時(shí)間為2 3小時(shí)。
7.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法,其特征在于， 在步驟C中，所述真空磁控濺射法的參數(shù)為I X 10-^5 X 10_3托，并通入氬氣Ar氣，襯底的溫度保持10°C 30°C，所述In2Se3或In2S3緩沖層的厚度為5納米。
8.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法,其特征在于， 在步驟D中，所述射頻真空磁控濺射法使用的靶材為氧化鋅ZnO，真空濺射的參數(shù)為1X10-3 5X10_3$，頻率為400kHz 2MHz，并通入氬氣Ar氣，襯底的溫度保持室溫IO0C 30°C，所述本征氧化鋅i-ZnO高阻抗層的厚度為5 20納米。
9.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法,其特征在于， 在步驟E中，所述射頻真空磁控濺射法使用的靶材為氧化鋅ZnO:鋁Al，真空濺射的參數(shù)為I X 10_3 5 X 10_3托，并通入含有5%02的氬氣Ar氣，襯底的溫度保持室溫(10°C 30°C )，所述氧化鋅的薄膜厚度為O. 3^0. 6微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能領(lǐng)域，具體涉及一種用銅鋅錫硫化合物單一靶材制備薄膜太陽(yáng)能電池的方法，該方法包括A．用真空磁控濺射法，在鈉鈣玻璃鉬Mo襯底或不銹鋼片鉬Mo襯底上濺射具有黃銅礦結(jié)構(gòu)Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2銅鋅錫硫化合物單一靶材，形成太陽(yáng)能電池吸收層；B．在真空下，對(duì)所述太陽(yáng)能電池吸收層通過(guò)快速加熱進(jìn)行退火處理；C．用真空磁控濺射法，在B步驟處理的所述太陽(yáng)能電池吸收層上沉積In2Se3或In2S3緩沖層；D.用射頻真空磁控濺射法，在沉積的In2Se3或In2S3緩沖層上進(jìn)行本征氧化鋅i-ZnO高阻抗層的沉積；E．用射頻真空磁控濺射法，在沉積的所述本征氧化鋅i-ZnO上進(jìn)行參鋁氧化鋅ZnO:Al低阻抗層的沉積。本發(fā)明能夠在無(wú)污染情況制備I-III-VI2具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的薄膜太陽(yáng)能電池。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102709393SQ20121018479
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者丘立安, 李宗雨 申請(qǐng)人:成都先鋒材料有限公司