銅鋅錫硫四元化合物及其構成的薄膜太陽電池及製備方法

2023-07-08 09:50:36

專利名稱：銅鋅錫硫四元化合物及其構成的薄膜太陽電池及製備方法
技術領域：
本發明涉及薄膜太陽電池領域，具體是一種薄膜太陽電池及其構成薄膜太陽電池 的銅鋅錫硫四元化合物薄膜的製備方法和p_n結結構薄膜太陽電池的製備方法。
背景技術：
銅鋅錫硫四元化合物不含豐度低的元素Ga、 In、 Se和有毒元素Cd等，禁帶寬度約 為1. 5eV，與太陽光譜相匹配，吸光係數高達104cm—、據相關理論推算，單結銅鋅錫硫四元 化合物薄膜太陽電池在AM 1. 5和100mW/cm2的光照下，光伏性能參數為開路電壓1. 23V、 短路電流密度29. 0mA/ci^、填充因子90.0^、光電轉換效率可達32. 2%，是一種具有廣闊應 用前景的薄膜太陽電池。 目前，國內外利用銅鋅錫硫四元化合物作為吸收層材料，p-n結結構均為p-銅 鋅錫硫四元化合物n-硫化鎘，其窗口層仍然含有有毒元素Cd。常見的銅鋅錫硫四元化合 物半導體薄膜的製備方法主要有氣相沉積金屬前驅體法再經硫化、磁控濺射法等方法，日 本專利JP2009135316A利用氣相沉積金屬前驅體再經硫化製備了銅鋅錫硫四元化合物薄 膜及相應的n-硫化鎘/p-銅鋅錫硫四元化合物薄膜太陽電池，其光電轉換效率達6. 9% ; Hironori Katagiri等(Thin Solid Films, 2007， 515 :5997-5999)以同樣的方法製備了 銅鋅錫硫四元化合物薄膜及薄膜太陽電池，獲得了 5. 74%的光電轉換效率；俄羅斯專利 RU2347299C1利用真空濺射金屬前驅體接著經硫化的兩步法製備了銅鋅錫硫四元化合物薄 膜；中國專利CN101026198A和CN101101939A採用熔煉合金的方法、再經磁控濺射製備了銅 鋅錫硫四元化合物薄膜，這些製備方法的硫化工藝複雜、產物的化學計量比難控制、製備過 程需真空或者氣體保護等。最近，美國化學會志(J. AM. CHEM. SOC. 2009， 131， 11672-11673 ; J. AM. CHEM. SOC. 2009， 131， 12554—12555 ;J. AM. CHEM. SOC. 2009， 131， 12054—12055)報導了 在有機溶劑油胺溶液中使用銅、鋅、錫的金屬有機化合物在225-30(TC合成了銅鋅錫硫四元 化合物納米材料，這些製備方法價格昂貴、有機溶劑難以除去、殘留的有機物阻礙了薄膜太 陽電池光伏性能的提高。

發明內容
本發明提供了一種p-n結結構薄膜太陽電池及其構成薄膜太陽電池的銅鋅錫硫 四元化合物薄膜的製備方法和p-n結結構薄膜太陽電池的製備方法，所製備的薄膜太陽電 池具有附著力強、電阻低、原料來源豐富的優點；且製備方法具有化學計量比容易控制可 調、製備工藝簡單、製備過程能耗低、成本低廉、對環境友好的優點。
本發明的技術方案為 —種二硫化錫/銅鋅錫硫四元化合物薄膜太陽電池，包括導電玻璃/金屬柵電極 和金屬背電極，其特徵在於所述的導電玻璃/金屬柵電極和金屬背電極之間有構成p-n結 結構的P-銅鋅錫硫四元化合物薄膜和n- 二硫化錫薄膜。
所述的銅鋅錫硫四元化合物的製備方法，其特徵在於是將硫化銅、硫化鋅、硫化亞錫按l : 0.2-0.8 : 0. 2-0.8的摩爾比混合，然後加入到適量水中球磨混合l小時以上， 將得到的混合液轉移至高壓釜中，在120-28(TC下水熱處理2小時以上，得銅鋅錫硫四元化 合物粉末。 所述的二硫化錫/銅鋅錫硫四元化合物薄膜太陽電池的製備方法，其特徵在於 包括以下步驟 (1)、銅鋅錫硫四元化合物的製備將硫化銅、硫化鋅、硫化亞錫按
1 : 0.2-0.8 : 0.2-0.8的摩爾比混合，然後加入到適量水中球磨混合l小時以上，將得到 的混合液轉移至高壓釜中，在120-28(TC下水熱處理2小時以上，得銅鋅錫硫四元化合物粉 末； (2) 、 p-銅鋅錫硫四元化合物薄膜的製備將銅鋅錫硫四元化合物粉末與粘接劑 混合併塗膜，然後在40-10(TC下烘乾，120-40(TC乾燥固化1小時以上，得p-銅鋅錫硫四元 化合物薄膜。 所述的粘接劑選用磷酸二氫鋁溶液、氧化鋁與磷酸二氫鋁混合溶液、或氧化銅與 磷酸二氫鋁混合溶液； (3)、p-n結結構薄膜太陽電池的製備用噴塗、濺塗或絲網印刷方法依次將導電 玻璃/金屬柵電極、p-銅鋅錫硫四元化合物薄膜、n-二硫化錫薄膜和金屬背電極進行複合， 製得p-n結結構薄膜太陽電池。 所述的二硫化錫/銅鋅錫硫四元化合物薄膜太陽電池的製備方法，其特徵在於 所述的氧化鋁與磷酸二氫鋁的混合質量比為0-0.2 : 1 ;所述的氧化銅與磷酸二氫鋁的混 合質量比為0-0. 16 : 1。 相對於現有技術的有益效果是新型p-n結結構具有不含有毒元素且原料來源豐 富；利用金屬硫化物先球磨混合再高壓水熱處理製備銅鋅錫硫四元化合物粉末具有化學計 量比容易控制可調、成本低廉；利用磷酸二氫鋁溶液或氧化鋁與磷酸二氫鋁混合溶液或氧 化銅與磷酸二氫鋁混合溶液作為粘接劑來製備銅鋅錫硫四元化合物薄膜具有附著力強、電 阻低、製備過程能耗低、對環境友好等優點。
具體實施例方式
p-n結結構薄膜太陽電池的製備方法
實施例1 (1)、銅鋅錫硫四元化合物粉末的製備 將硫化銅、硫化鋅、硫化亞錫按摩爾比為i : 0.2 : 0.2的比例混合，再加入到適
量水中，於球磨機中球磨混合一小時以上；接著將混合液轉移至高壓釜中，於28(TC處理兩 小時以上，即得銅鋅錫硫四元化合物粉末；
(2)、銅鋅錫硫四元化合物薄膜的製備 用磷酸二氫鋁溶液或氧化鋁與磷酸二氫鋁的混合溶液或氧化銅與磷酸二氫鋁的
混合溶液作為粘接劑，將銅鋅錫硫四元化合物粉末與粘接劑混合後塗膜，於4(TC烘乾，接著
於40(TC乾燥固化一小時以上，即得銅鋅錫硫四元化合物薄膜。
(3) 、 p-銅鋅錫硫四元化合物/n- 二硫化錫薄膜太陽電池的組裝 用噴塗、濺塗或絲網印刷法先在導電玻璃/金屬柵電極(錫、鋁、銦、銅)上製備二
4硫化錫薄膜，再在此薄膜上用同樣方法製備銅鋅錫硫四元化合物薄膜，然後用同樣方法在 銅鋅錫硫四元化合物薄膜上製備金屬背電極(錫、鋁、銦、銅)，即組裝成p-銅鋅錫硫四元化 合物/n_ 二硫化錫薄膜太陽電池。
實施例2 將硫化銅、硫化鋅、硫化亞錫按摩爾比為1 : 0.8 : 0.8的比例混合，再加入到適 量水中，於球磨機中球磨混合一小時以上；接著將混合液轉移至高壓釜中，於28(TC處理兩 小時以上，即得銅鋅錫硫四元化合物粉末；其它同實施例1。
實施例3 將硫化銅、硫化鋅、硫化亞錫按摩爾比為1 : 0.5 : 0.5的比例混合，再加入到適 量水中，於球磨機中球磨混合一小時以上；接著將混合液轉移至高壓釜中，於28(TC處理兩 小時以上，即得銅鋅錫硫四元化合物粉末；其它同實施例1。
實施例4 將硫化銅、硫化鋅、硫化亞錫按摩爾比為1 : 0.5 : 0.5的比例混合，再加入到適 量水中，於球磨機中球磨混合一小時以上；接著將混合液轉移至高壓釜中，於12(TC處理兩 小時以上，即得銅鋅錫硫四元化合物粉末；其它同實施例1。
實施例5 將硫化銅、硫化鋅、硫化亞錫按摩爾比為i : 0.5 : o. 5的比例混合，再加入水，於
球磨機中球磨混合一小時以上；接著將混合液轉移至高壓釜中，於21(TC處理兩小時以上， 即得銅鋅錫硫四元化合物粉末；其它同實施例1。
實施例6 用磷酸二氫鋁溶液、氧化鋁與磷酸二氫鋁的混合溶液、或氧化銅與磷酸二氫鋁的 混合溶液作為粘接劑，將銅鋅錫硫四元化合物粉末與粘接劑混合後塗膜，於IO(TC烘乾，接 著於40(TC乾燥固化1小時以上，即得銅鋅錫硫四元化合物薄膜；其它同實施例5。
實施例7 用磷酸二氫鋁溶液、氧化鋁與磷酸二氫鋁的混合溶液、或氧化銅與磷酸二氫鋁的 混合溶液作為粘接劑，將銅鋅錫硫四元化合物粉末與粘接劑混合後塗膜，於6(TC烘乾，接著 於40(TC乾燥固化1小時以上，即得銅鋅錫硫四元化合物薄膜；其它同實施例5。
實施例8 用磷酸二氫鋁溶液、氧化鋁與磷酸二氫鋁的混合溶液、或氧化銅與磷酸二氫鋁的 混合溶液作為粘接劑，將銅鋅錫硫四元化合物粉末與粘接劑混合後塗膜，於6(TC烘乾，接著 於12(TC乾燥固化1小時以上，即得銅鋅錫硫四元化合物薄膜；其它同實施例5。
實施例9 用磷酸二氫鋁溶液或氧化鋁與磷酸二氫鋁的混合溶液或氧化銅與磷酸二氫鋁的 混合溶液作為粘接劑，將銅鋅錫硫四元化合物粉末與粘接劑混合後塗膜，於6(TC烘乾，接著 於20(TC乾燥固化一小時以上，即得銅鋅錫硫四元化合物薄膜；其它同實施例5。
權利要求
一種二硫化錫/銅鋅錫硫四元化合物薄膜太陽電池，包括導電玻璃/金屬柵電極和金屬背電極，其特徵在於所述的導電玻璃/金屬柵電極和金屬背電極之間有構成p-n結結構的p-銅鋅錫硫四元化合物薄膜和n-二硫化錫薄膜。
2. 根據權利要求1所述的銅鋅錫硫四元化合物的製備方法，其特徵在於是將硫化銅、 硫化鋅、硫化亞錫按1 : 0.2-0.8 : 0.2-0.8的摩爾比混合，然後加入到適量水中球磨混合 1小時以上，將得到的混合液轉移至高壓釜中，在120-28(TC下水熱處理2小時以上，得銅鋅 錫硫四元化合物粉末。
3. 根據權利要求1所述的二硫化錫/銅鋅錫硫四元化合物薄膜太陽電池的製備方法，其特徵在於包括以下步驟(1) 、銅鋅錫硫四元化合物的製備將硫化銅、硫化鋅、硫化亞錫按1 : 0.2-0.8 : 0.2-0.8的摩爾比混合，然後加入到適量水中球磨混合1小時以上，將得到 的混合液轉移至高壓釜中，在120-28(TC下水熱處理2小時以上，得銅鋅錫硫四元化合物粉 末；(2) 、 p-銅鋅錫硫四元化合物薄膜的製備將銅鋅錫硫四元化合物粉末與粘接劑混合 並塗膜，然後在40-10(TC下烘乾，120-40(TC乾燥固化l小時以上，得p-銅鋅錫硫四元化合 物薄膜。所述的粘接劑選用磷酸二氫鋁溶液、氧化鋁與磷酸二氫鋁混合溶液、或氧化銅與磷酸 二氫鋁混合溶液；(3) 、p-n結結構薄膜太陽電池的製備用噴塗、濺塗或絲網印刷方法依次將導電玻璃/ 金屬柵電極、P-銅鋅錫硫四元化合物薄膜、n- 二硫化錫薄膜和金屬背電極進行複合，製得 p-n結結構薄膜太陽電池。
4. 根據權利要求3所述的二硫化錫/銅鋅錫硫四元化合物薄膜太陽電池的製備方法， 其特徵在於所述的氧化鋁與磷酸二氫鋁的混合質量比為0-0.2 : l;所述的氧化銅與磷酸 二氫鋁的混合質量比為O-O. 16 : 1。
全文摘要
本發明公開了一種銅鋅錫硫四元化合物及其構成的薄膜太陽電池及製備方法，薄膜太陽電池，包括導電玻璃/金屬柵電極和金屬背電極，其特徵在於所述的導電玻璃/金屬柵電極和金屬背電極之間有構成p-n結結構的p-銅鋅錫硫四元化合物薄膜和n-二硫化錫薄膜。銅鋅錫硫四元化合物的製備方法，是將硫化銅、硫化鋅、硫化亞錫按1∶0.2-0.8∶0.2-0.8的摩爾比混合，然後加入到適量水中球磨混合1小時以上，將得到的混合液轉移至高壓釜中，在120-280℃下水熱處理2小時以上，得銅鋅錫硫四元化合物粉末。本發明所製備的薄膜太陽電池具有附著力強、電阻低、原料來源豐富的優點，且製備方法製備工藝簡單、成本低廉、對環境友好的優點。
文檔編號H01L31/18GK101794826SQ201010108919
公開日2010年8月4日 申請日期2010年2月5日 優先權日2010年2月5日
發明者劉清安, 史成武, 史高楊, 陳柱 申請人:合肥工業大學