一種對銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層改性的方法
2023-06-09 14:35:11 1
一種對銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層改性的方法
【專利摘要】本發明提供了一種銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層改性的方法，屬於新能源領域。具體包括：a)在鍍鉬的鈉鈣玻璃上製備銅鋅錫硒吸收層；b)在水中加入可溶性的銅鹽、鋅鹽、錫鹽中的任一種和硫代醯胺類化合物，其中，可溶性的銅鹽、鋅鹽或錫鹽的濃度為0.001～0.01mol/L，硫代醯胺類化合物與可溶性銅鹽、鋅鹽或錫鹽物質的量之比為20:1；c)將步驟a得到的帶吸收層的鍍鉬的鈉鈣玻璃浸泡在上述溶液中，並在70～90℃的水浴中處理15s～1min；d)將步驟c處理後得到的帶吸收層的鍍鉬的鈉鈣玻璃用去離子水衝洗，在真空乾燥箱中40～70℃乾燥2～5h。本發明提供的改性方法操作簡便，安全，省時，成本低。
【專利說明】—種對銅鋅錫砸薄膜太陽能電池吸收層改性的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於新能源領域中薄膜太陽能電池的製備方法，具體涉及一種銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層改性的方法。
【背景技術】
[0002]隨著石化能源的逐漸枯竭，尋求穩定可靠的替代能源已是本世紀所有人類要面臨的重大生存課題，在眾多新能源中，太陽能由於具有綠色、環保、輕便、用之不竭的特點而成為理想的未來能源來源。太陽能電池是將太陽光的光能轉換成電能的裝置，在新一代薄膜太陽能電池中，銅鋅錫硒(Cu2ZnSnSe4，簡寫CZTSe)薄膜太陽能電池由於具有以下優勢:第一、光吸收係數高達14CnT1 ;第二、帶隙寬度與太陽光譜匹配性良好；第三、光電轉換效率高；第四、原材料成本低廉且安全無毒，可作為銅銦鎵硒(&1(111，6&)562，簡寫(:165)薄膜太陽能電池的有效替代材料，成為目前薄膜太陽能電池的研究熱點。
[0003]CZTSe薄膜太陽能電池的基本結構為:鈉鈣玻璃/Mo/CZTSe吸收層/CdS/ZnO:Al/NiiAl電極。由於緩衝層材料CdS禁帶寬度為2.42eV，而CTZSe材料禁帶寬度為0.9?
1.1eV,因此緩衝層CdS與吸收層CZTSe接觸界面會產生導帶偏移，不利於光生載流子遷移，降低電池性能。因此，通常會對CZTSe吸收層進行硫化改性處理，硫化改性後，會在吸收層表面形成銅鋅錫硫硒(Cu2ZnSn (Sh，Sex) 4，簡寫CZTSSe)材料，其禁帶寬度為1.1?1.5eV,可以有效降低與緩衝層CdS間的導帶偏移，隨之降低吸收層及緩衝層界面少子複合率，提高薄膜太陽能電池短路電流密度及開路電壓，進一步提升電池光電轉換效率，顯著改善電池性能。
[0004]目前，CZTSe吸收層硫化改性處理的方法主要是退火(Bag S，Gunawan O, GokmenT, et al.Low band gap liquid-processed CZTSe solar cell withl0.1 % efficiency [J].Energy&Environmental Science, 2012, 5(5): 7060-7065),該方法需要真空、高溫等製備條件，對設備要求高，耗時長且製備過程中會用到H2S毒性氣體，這些都限制了該方法的廣泛應用。因此，很有必要尋找一種操作簡便，成本低，安全的對CZTSe吸收層硫化改性的方法。
【發明內容】
[0005]本發明針對【背景技術】存在的缺陷，提供了一種銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層硫化改性的方法，該改性方法操作簡便，安全，省時，改性後有效降低了吸收層與緩衝層間的導帶偏移，減少了載流子複合，優化了電池性能。
[0006]本發明的技術方案為:
[0007]一種對銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層改性的方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1:在鍍鑰的鈉鈣玻璃上製備銅鋅錫硒吸收層；
[0009]步驟2:配製前驅體溶液:在水中分別加入可溶性的銅鹽、可溶性的鋅鹽、可溶性的錫鹽中的任意一種和硫代醯胺類化合物,其中,可溶性的銅鹽、可溶性的鋅鹽或可溶性的錫鹽的物質的量濃度為0.001?0.01mol/L，硫代醯胺類化合物的物質的量與可溶性的銅鹽或可溶性的鋅鹽或可溶性的錫鹽的物質的量之比為20:1 ；
[0010]步驟3:將步驟I得到的帶吸收層的鍍鑰的鈉鈣玻璃浸泡在步驟2配製的前驅體溶液中，並置於70?90°C的水浴中處理15s?Imin ；
[0011]步驟4:將步驟3處理後得到的帶吸收層的鍍鑰的鈉鈣玻璃用去離子水衝洗，然後在真空乾燥箱中40?70°C溫度下乾燥2?5h。
[0012]其中，步驟I所述的在鍍鑰的鈉鈣玻璃上製備銅鋅錫硒吸收層的方法為直流濺射法，具體過程為:首先，在背底真空為10_5Pa、工作氣壓為0.8Pa、濺射功率為50W及室溫條件下，以純度不低於99.999wt%的銅、鋅和錫為靶材、以體積百分比計純度不低於99.999%的氬氣作為濺射介質在鍍鑰的鈉鈣玻璃上按順序分別濺射銅30min、濺射鋅17min、濺射錫15min ;然後將濺射有銅鋅錫的鍍鑰的鈉鈣玻璃在200°C下預退火4h ;最後加入5?8mg硒粉，在560°C條件下硒化退火2h。
[0013]步驟I所述的在鍍鑰的鈉鈣玻璃上製備銅鋅錫硒吸收層的方法還可以是溶劑熱法，具體過程為:首先，將可溶性的銅鹽、可溶性的鋅鹽和可溶性的錫鹽溶於去離子水中，得到混合液A，將硒粉溶於乙二胺中，得混合液B，其中，可溶性的銅鹽:可溶性的鋅鹽:可溶性的錫鹽:硒粉的物質的量的比為2:1:1:4 ;然後將混合液A和混合液B混合，攪拌均勻，並在200°C溫度下反應24h ;將反應後的溶液離心、倒出上層清液、加入去離子水超聲，重複上述步驟5?8次，得到分散於去離子水中的銅鋅錫硒墨水；最後，在鍍鑰的鈉鈣玻璃上旋塗上述銅鋅錫硒墨水，轉速為800轉/分鐘，時間為20?40秒，旋塗次數為5?20次。
[0014]進一步地，步驟2中所述的硫代醯胺類化合物為硫代乙醯胺、硫脲等。步驟2中所述的可溶性的銅鹽為銅的氯鹽、硝酸鹽、醋酸鹽等；可溶性的鋅鹽為鋅的氯鹽、硫酸鹽、硝酸鹽、醋酸鹽等；可溶性的錫鹽為二價錫的氯鹽、硫酸鹽、硝酸鹽、醋酸鹽或四價金屬錫的氯鹽
坐寸ο
[0015]本發明的有益效果為:
[0016]1、本發明提供的對銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層改性的方法操作方便，工藝簡單，成本低，不需要用到昂貴的設備及苛刻的製備條件，適用於大批量工業化生產。
[0017]2、本發明提供的對銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層改性的方法中不會用到有毒氣體，對環境友好，並且改性處理過程簡單，用時短，為銅鋅錫硒薄膜太陽能電池的製備及性能優化帶來了積極的作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明實施例1得到的改性後的銅鋅錫硒吸收層的X射線衍射圖。
[0019]圖2為本發明實施例2得到的改性後的銅鋅錫硒吸收層的X射線衍射圖。
【具體實施方式】
[0020]實施例1
[0021]一種對銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層改性的方法，包括以下步驟:
[0022]步驟1:在鍍鑰的鈉鈣玻璃上製備銅鋅錫硒吸收層:首先，將鍍鑰的鈉鈣玻璃放置於真空度為10_5Pa的真空環境中，以純度為99.999wt%的銅、鋅和錫為靶材，輸入純度為99.999% (體積百分比)的氬氣作為濺射介質，在室溫、功率50W、濺射氣壓(工作氣壓)為0.8Pa的條件下，採用直流濺射法按順序分別濺射銅30min、濺射鋅17min、濺射錫15min ;然後將濺射有銅鋅錫的鍍鑰的鈉鈣玻璃在200°C下預退火4h ;最後加入6mg硒粉，在560°C條件下硒化退火2h，退火後取出急速降溫。
[0023]步驟2:配製前驅體溶液:在IL去離子水中加入0.005mol氯化鋅和0.1mol硫代乙醯胺，超聲1min使其充分溶解。
[0024]步驟3:將步驟I得到的帶吸收層的鍍鑰的鈉鈣玻璃浸泡於步驟2配製的前驅體溶液中，並置於80°C的水浴中處理15s ；
[0025]步驟4:將步驟3處理後得到的帶吸收層的鍍鑰的鈉鈣玻璃用去離子水衝洗3次，然後在真空乾燥箱中50°C溫度下乾燥3h。
[0026]圖1為實施例1得到的改性後的銅鋅錫硒吸收層的X射線衍射圖。由圖1可知，實施例1成功實現了對銅鋅錫硒吸收層的改性，得到的銅鋅錫硫硒純淨。
[0027]實施例2
[0028]一種對銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層改性的方法，包括以下步驟:
[0029]步驟1:在鍍鑰的鈉鈣玻璃上製備銅鋅錫硒吸收層:首先，在0.05L去離子水中分別加入0.0025mol氯化銅，0.00125mol硫酸鋅，0.00125mmol硫酸亞錫，攪拌使其充分溶解，得到混合液A，在0.03L乙二胺中加入0.005mol硒粉，攪拌均勻，得到混合液B，然後將混合液A和混合液B混合，攪拌均勻，並在200°C溫度下反應24h ;將反應後的溶液離心5min、倒出上層清液、加入0.0lL去離子水超聲，重複上述步驟6次，每次離心的轉速為6000轉/分鐘，得到分散於去離子水中的銅鋅錫硒墨水；最後，在鍍鑰的鈉鈣玻璃上旋塗上述銅鋅錫硒墨水，轉速為800轉/分鐘，時間為30秒，旋塗次數為12次。
[0030]步驟2:配製前驅體溶液:在2L去離子水中加入0.0lmol SnCl2和0.2mol硫脲，超聲15min使其充分溶解。
[0031]步驟3:將步驟I得到的帶吸收層的鍍鑰的鈉鈣玻璃浸泡於步驟2配製的前驅體溶液中，並置於85°C的水浴中處理20s ；
[0032]步驟4:將步驟3處理後得到的帶吸收層的鍍鑰的鈉鈣玻璃用去離子水衝洗3次，然後在真空乾燥箱中60°C溫度下乾燥2h。
[0033]圖2為實施例2得到的改性後的銅鋅錫硒吸收層的X射線衍射圖。由圖2可知，實施例2成功實現了對銅鋅錫硒吸收層的改性，且得到的銅鋅錫硫硒純淨。
【權利要求】
1.一種對銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層改性的方法，包括以下步驟: 步驟1:在鍍鑰的鈉鈣玻璃上製備銅鋅錫硒吸收層； 步驟2:配製前驅體溶液:在水中分別加入可溶性的銅鹽、可溶性的鋅鹽、可溶性的錫鹽中的任意一種和硫代醯胺類化合物,其中，可溶性的銅鹽、可溶性的鋅鹽或可溶性的錫鹽的物質的量濃度為0.0Ol?0.01mol/L，硫代醯胺類化合物的物質的量與可溶性的銅鹽或可溶性的鋅鹽或可溶性的錫鹽的物質的量之比為20:1 ； 步驟3:將步驟I得到的帶吸收層的鍍鑰的鈉鈣玻璃浸泡在步驟2配製的前驅體溶液中，並置於70?90°C的水浴中處理15s?Imin ； 步驟4:將步驟3處理後得到的帶吸收層的鍍鑰的鈉鈣玻璃用去離子水衝洗，然後在真空乾燥箱中40?70°C溫度下乾燥2?5h。
2.根據權利要求1所述的對銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層改性的方法，其特徵在於，步驟I所述的在鍍鑰的鈉鈣玻璃上製備銅鋅錫硒吸收層的方法為直流濺射法，具體過程為:首先，在背底真空為10_5Pa、工作氣壓為0.8Pa、濺射功率為50W及室溫條件下，以純度不低於99.999wt%的銅、鋅和錫為靶材、以體積百分比計純度不低於99.999%的氬氣作為濺射介質在鍍鑰的鈉鈣玻璃上按順序分別濺射銅30min、濺射鋅17min、濺射錫15min ;然後將濺射有銅鋅錫的鍍鑰的鈉鈣玻璃在200°C下預退火4h ;最後加入5?8mg硒粉，在560°C條件下硒化退火2h。
3.根據權利要求1所述的對銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層改性的方法，其特徵在於，步驟I所述的在鍍鑰的鈉鈣玻璃上製備銅鋅錫硒吸收層的方法為溶劑熱法，具體過程為:首先，將可溶性的銅鹽、可溶性的鋅鹽和可溶性的錫鹽溶於去離子水中，得到混合液A，將硒粉溶於乙二胺中，得混合液B，其中，可溶性的銅鹽:可溶性的鋅鹽:可溶性的錫鹽:硒粉的物質的量的比為2:1:1:4 ;然後將混合液A和混合液B混合，攪拌均勻，並在200°C溫度下反應24h ;將反應後的溶液離心、倒出上層清液、加入去離子水超聲，重複上述步驟5?8次，得到分散於去離子水中的銅鋅錫硒墨水；最後，在鍍鑰的鈉鈣玻璃上旋塗上述銅鋅錫硒墨水，轉速為800轉/分鐘，時間為20?40秒，旋塗次數為5?20次。
4.根據權利要求1所述的對銅鋅錫硒薄膜太陽能電池吸收層改性的方法，其特徵在於，步驟2中所述的硫代醯胺類化合物為硫代乙醯胺或硫脲，步驟2中所述的可溶性的銅鹽為銅的氯鹽、硝酸鹽、醋酸鹽，可溶性的鋅鹽為鋅的氯鹽、硫酸鹽、硝酸鹽、醋酸鹽，可溶性的錫鹽為二價錫的氯鹽、硫酸鹽、硝酸鹽、醋酸鹽或四價金屬錫的氯鹽。
【文檔編號】H01L31/18GK104037267SQ201410305301
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月30日 優先權日:2014年6月30日
【發明者】張庶, 白玉玲, 向勇 申請人:電子科技大學