專利名稱：一種太陽電池吸收層薄膜材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽電池吸收層薄膜材料的制備方法，屬于光伏電池材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，兩種主流的薄膜太陽能電池吸收層半導體材料，銅銦鎵硒(CIGQ材料和碲化鎘(CdTe)材料，在面向大規(guī)模生產(chǎn)時受到原材料稀缺、昂貴、組成元素的毒性約束，如 CIGS中h金屬非常昂貴，CdTe中的Te產(chǎn)量有限，在電池發(fā)電量達到GW量級時都會出現(xiàn)原材料瓶頸。另外Cd有毒性，進一步增加了生產(chǎn)的難度，因此，需要尋找更優(yōu)的吸收層半導體。近年來，出于尋找廉價、環(huán)保、高效的太陽能電池吸收層半導體材料的需要，三元硫族半導體吸引了人們越來越多的關(guān)注.其中銅鉍硫(Cu3BiS3，簡稱CBS)半導體受到最多關(guān)注，這種三元半導體材料僅包含自然界儲量豐富、廉價、對環(huán)境無害的元素。另外，實驗測量發(fā)現(xiàn)，其禁帶寬度隙為1.4eV，接近單結(jié)太陽能電池的最優(yōu)帶隙，并且其光吸收系數(shù)很高 (> IO5CnT1)，具有高的光電轉(zhuǎn)換效率。Cu3BiS3(CBS)薄膜材料的制備方法公知的有熱蒸發(fā)法、固態(tài)響應化學水浴法及物理蒸發(fā)沉積法等，此類材料的研究面臨著許多問題和困難，目前在薄膜太陽電池中作為吸收層材料的成功制備專利及應用仍未見報道，大多數(shù)的研究停留在改變合成方法或者成分、溫度等條件來進行合成材料-制作器件-測量性能參數(shù)的層次，盡管觀察到器件性能的變化，卻缺乏對微觀物理機制的深層理解，對器件性能的優(yōu)化基于經(jīng)驗。

發(fā)明內(nèi)容
針對背景技術(shù)提出的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種太陽電池光伏吸收材料 Cu3BiS3(CBS)薄膜的制備方法。先在基底上磁控濺射鉬金屬作為前驅(qū)體，再采用三電極電化學體系沉積Cu3Bi合金層薄膜，作為預制膜，最后將金屬預制膜Cu3Bi硫化及退火處理，得到 Cu3BiS3(CBS)薄膜。本發(fā)明的具體實施步驟為采用射頻(RF)磁控濺射方法，先在鈉鈣玻璃基底上磁控濺射鉬(Mo)金屬層，然后采用一步電化學體系在鉬(Mo)金屬層上沉積Cu3Bi合金層，最后將Cu3Bi合金層進行硫化及退火處理，得到Cu3BK3(CBS)吸收層成品。本發(fā)明與公知技術(shù)相比具有的優(yōu)點及積極效果1.吸收層的制備不需要真空條件，電化學沉積采用一步沉積法，沉積過程中采用恒電位方式，在室溫下無需攪拌，合金的沉積量可通過監(jiān)測沉積電荷量來控制，操作簡單； 2.吸收層材料為直接帶隙材料，其禁帶寬度接近l.MeV，接近單結(jié)太陽能電池的最優(yōu)帶隙，在可見光區(qū)光吸收系數(shù)大(> IO5Cm-I)。


圖1為本發(fā)明工藝流程圖。圖2為電化學沉積薄膜的裝置示意圖。圖中1為工作電極，2為鉬金屬前驅(qū)體，3為電解液，4為電化學沉積箱，5為Hg I HgO參比電極，6為電化學工作站，7為電極連接導線，8為鉬金對電極。圖3為薄膜沉積結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式(1)將基底尺寸為IOmmXlOmm的鈉堿玻璃依次采用洗滌劑、蒸餾水、異丙酮及乙醇進行超聲清洗10分鐘，并用流量為0. Im3/h氮氣干燥10分鐘；(2)在基底上采用射頻(RF)磁控濺射沉積1 μ m厚的鉬層前驅(qū)體；(3)用去離子水和純度為99. 99%的金屬鹽配制電解液，電解液為含9毫摩爾硝酸鉍(Bi (N03))，30毫摩爾硫酸銅二水化合物(CuS04. 2H20)，2摩爾氫氧化鈉(NaOH)和0. 2 摩爾山梨醇的混合溶液；(4)采用三電極電化學體系，以用制備好的鉬層前驅(qū)體作為工作電極、采用鉬金片作為對電極、采用AglAgCl作為參比電極，在配制好的電解液中沉積Cu3Bi合金層。沉積過程在室溫下無攪拌進行，采用恒電位(Autolab 20穩(wěn)壓器)方式，Cu3Bi合金沉積的化學電勢為-0. 75V(相對于.AglAgCl參比電極)，沉積量通過監(jiān)測沉積電荷量來控制，時間50-60 分鐘，得到Cu3Bi合金預制膜；(5)用去離子水清洗合金預制膜，并用流量為0. Im3/h的氮氣干燥30分鐘；(6)將Cu3Bi合金預制膜放入石墨容器，并將其置入石英爐管內(nèi)；(7)往石英爐內(nèi)充入1巴壓強的氮氣作為載氣，再往石英爐內(nèi)充入壓力lPa，純度為99. 999wt%，流量為0. Im3/h的硫蒸氣，在450_500C°爐溫下加熱30分鐘，自然冷卻至室溫，得到2 μ m厚的Cu3BiS3 (CBS)薄膜成品。
權(quán)利要求
1. 一種太陽電池吸收層薄膜材料的制備方法，其特征在于采用射頻磁控濺射方法， 先在鈉鈣玻璃基底上濺射鉬金屬層，然后采用一步電化學體系在鉬金屬層上沉積Cu3Bi合金層，最后將Cu3Bi合金層進行硫化及退火處理，得到Cu3BK3吸收層， 所述的制備方法按以下步驟實施(1)將基底尺寸為IOmmXIOmm的鈉堿玻璃依次采用洗滌劑、蒸餾水、異丙酮及乙醇進行超聲清洗10分鐘，并用流量為0. Im3/h氮氣干燥10分鐘；(2)在基底上采用射頻(RF)磁控濺射沉積Iym厚的鉬層前驅(qū)體(背電極)；(3)用去離子水和純度為99.99%的金屬鹽配制電解液，該電解液為含9毫摩爾硝酸鉍，30毫摩爾硫酸銅二水化合物，2摩爾氫氧化鈉和0. 2摩爾山梨醇的混合溶液；(4)采用三電極電化學體系，以用制備好的鉬層前驅(qū)體作為工作電極、采用鉬金片作為對電極、采用AglAgCl作為參比電極，在配制好的電解液中沉積Cu3Bi合金層，沉積過程在室溫下無攪拌進行，采用20穩(wěn)壓器恒電位方式，CuIBBi合金沉積的化學電勢為-0. 75V (相對于.AglAgCl參比電極)，沉積量通過監(jiān)測沉積電荷量來控制，時間50-60分鐘，得到CuIBBi 合金預制膜；(5)用去離子水清洗合金預制膜，并用流量為0.Im3/h的氮氣干燥30分鐘；(6)將Cu3Bi合金預制膜放入石墨容器，并將其置入石英爐管內(nèi)，往石英爐內(nèi)充入1巴壓強的氮氣作為載氣，再往石英爐內(nèi)充入壓力lPa，純度為99. 99wt%，流量為0. Im3/h的硫蒸氣，在450-500°C爐溫下加熱30分鐘，自然冷卻至室溫，得到2μπι厚的Cu;3BiS3薄膜成
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽電池吸收層薄膜材料的制備方法。先在基底上磁控濺射鉬金屬作為前驅(qū)體，再采用三電極電化學體系沉積Cu3Bi合金層薄膜，作為預制膜，最后將金屬預制膜Cu3Bi硫化及退火處理，得到Cu3BiS3(CBS)薄膜。該吸收層薄膜材料為直接帶隙材料，其禁帶寬度接近1.24eV，接近單結(jié)太陽能電池的最優(yōu)帶隙，在可見光區(qū)光吸收系數(shù)＞105cm-1。
文檔編號H01L31/18GK102447009SQ201110409449
公開日2012年5月9日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者楊培志, 自興發(fā) 申請人:云南師范大學