極薄太陽(yáng)光吸收層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池，具體涉及Cu2ZnSnS4極薄太陽(yáng)光吸收層的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜制備方法很多，包括噴涂熱解法、蒸發(fā)法、濺射法、脈沖激光沉積法、電化學(xué)沉積法、Sol-gel法、絲網(wǎng)印刷法等。目前，CZTS薄膜的制備工藝仍以真空技術(shù)為主，如:磁控濺射法、熱蒸發(fā)法等。但真空技術(shù)存在生產(chǎn)設(shè)備昂貴、能耗高、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，大大增加了制備成本，不利于大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。因此，如何實(shí)現(xiàn)CZTS薄膜的簡(jiǎn)易制備，降低生產(chǎn)成本，成為領(lǐng)域內(nèi)最重要的研究課題之一。近年來(lái)，一種基于CZTS納米晶的非真空油墨-印刷法，因具備生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、投資小、材料利用率高，而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)元素化學(xué)計(jì)量比的控制和高速、大面積生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而備受業(yè)內(nèi)關(guān)注，其核心為用于油墨制備的CZTS納米晶的合成。目前，CZTS納米晶的合成方法主要包括:熱注入法、溶劑熱法及機(jī)械化學(xué)法等。郭等人采用熱注入法制備CZTS納米晶，并使用該納米晶成功獲得轉(zhuǎn)換效率為7.2%的電池。但熱注入法受制于注射物質(zhì)速率和物質(zhì)轉(zhuǎn)移量?jī)蓚€(gè)因素，不利于實(shí)現(xiàn)CZTS納米晶的簡(jiǎn)單和規(guī)?；苽洌欢軇岱ê蜋C(jī)械化學(xué)法存在合成周期長(zhǎng)的缺陷，亦不利于實(shí)現(xiàn)高效、快速的制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于，提供噴涂一步法制備Cu2ZnSnS4極薄太陽(yáng)光吸收層的方法，以解決上述問(wèn)題。
[0004]本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題可以采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0005]噴涂一步法制備Cu2ZnSnS4極薄太陽(yáng)光吸收層的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0006]步驟一，在放置有蒸餾水的燒杯中依次加入CuCl2.2H20,Zn(CH3COO)2.2^0、SnCl2.2H20和硫脲制成前驅(qū)體溶液；
[0007]步驟二，打開排風(fēng)機(jī)，取鋁箔紙包裹在加熱爐臺(tái)上；
[0008]步驟三，清洗玻璃載玻片，將玻璃載玻片放置在加熱爐臺(tái)上；
[0009]步驟四，設(shè)置加熱裝置對(duì)玻璃載玻片進(jìn)行預(yù)熱；
[0010]步驟五，清洗噴霧裝置，取前驅(qū)體溶液于噴霧裝置中，將噴霧裝置噴涂在保持恒溫的玻璃載玻片上，前驅(qū)體溶液噴上之后可看到顏色的變化，前驅(qū)體溶液在高溫條件下瞬間完成蒸發(fā)沉淀，即最終形成薄膜樣品。
[0011]本發(fā)明通過(guò)使用SnCI2作先驅(qū)體時(shí)，可以提高結(jié)晶性、增強(qiáng)薄膜的導(dǎo)電性和流動(dòng)性，并能得到適合太陽(yáng)能電池用的薄膜。本發(fā)明有效地降低了制備成本，同時(shí)可以保證太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明通過(guò)噴涂熱解法制備出CZTS薄膜能夠節(jié)約一定的成本。
[0012]所述步驟一中蒸餾水的容量在50ml?70ml之間，依次加入CuCl2.2H20,Zn(CH3COO)2.2H20,SnCl2.2H20和硫脲的同時(shí)使用攪拌裝置進(jìn)行攪拌。
[0013]本發(fā)明通過(guò)攪拌裝置能夠使加入到蒸餾水中的物質(zhì)溶解更加充分。
[0014]所述攪拌裝置是一磁力攪拌器。
[0015]本發(fā)明通過(guò)磁場(chǎng)的同性相斥、異性相吸的原理，使用磁場(chǎng)推動(dòng)放置在容器中帶磁性的攪拌子進(jìn)行圓周運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到攪拌液體的目的。
[0016]所述CuCl2.2H20的摩爾質(zhì)量在0.0Olmol?0.003mol、所述Zn(CH3COO)2.2H20的摩爾質(zhì)量在0.0005mol?0.0007mol、所述SnCl2.2H20的摩爾質(zhì)量在0.0005mol?0.0007mol、所述硫脲的摩爾質(zhì)量在0.0025mol?0.004mol。
[0017]本發(fā)明通過(guò)限制成分的摩爾質(zhì)量能夠使實(shí)驗(yàn)所制備的極薄吸收層性能更加優(yōu)異。
[0018]作為一種優(yōu)選方案，所述CuCl2.2H20的摩爾質(zhì)量在0.0Olmol，所述Zn(CH3COO)2.2H20的摩爾質(zhì)量在0.0005mol，所述SnCl2.2H20的摩爾質(zhì)量在0.0005mol和所述硫脲的摩爾質(zhì)量在0.0025mol。
[0019]在依次加入CuCl2.2H20、Zn(CH3COO)2.2H20、SnCl2.2H20和硫脲的過(guò)程中，所述燒杯內(nèi)的前驅(qū)體溶液顏色由無(wú)色透明變?yōu)樗{(lán)色，逐漸變?yōu)榫G色，最后加入硫脲后逐漸變?yōu)槿榘咨?br>[0020]所述步驟三中，所述玻璃載玻片的長(zhǎng)度在75mm?80mm、寬度在20mm?30mm，厚度在Imm?1.5mm。本發(fā)明噴涂一步法所制備極薄吸收層薄膜的面積較大且保持足夠的均勻度，能夠節(jié)約一定的成本。
[0021]作為一種優(yōu)選方案，所述第一玻璃載玻片的長(zhǎng)度在76mm、寬度在25mm，厚度在
1.2mm ο
[0022]在所述步驟三中清洗玻璃載玻片的清洗步驟為:蒸餾水清洗、酒精擦拭、蒸餾水去除殘留然后靜置干燥。保證玻璃載玻片表面干燥無(wú)雜質(zhì)。
[0023]在所述步驟五中，所述噴霧裝置的噴涂間隔時(shí)間保持在2s?5s以下。若噴涂間隔過(guò)短，易將上一次噴涂的還未凝固的前驅(qū)體溶液完全沖洗掉，無(wú)法實(shí)現(xiàn)薄膜的沉淀;若噴涂間隔過(guò)長(zhǎng)，則結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不好;所以應(yīng)控制一定的時(shí)間間隔，使得沉積的薄膜上表面被后續(xù)的噴涂容易清洗掉一些，這樣不至于得到很厚的吸收層薄膜，制備極薄吸收層薄膜。
[0024]作為一種優(yōu)選方案，所述噴涂時(shí)間間隔保持在2s以下。時(shí)間間隔在2s時(shí)制備薄膜效果最佳，可使成膜質(zhì)量更好。
[0025]在所述步驟五中，作為一種方案，所述玻璃載玻片的表面溫度保持在210°C?225°C之間、所述噴霧裝置的噴射強(qiáng)度在2000?8500之間，所述噴霧裝置的噴射角度在10°?80°之間。
[0026]表面溫度為210°C?225°C時(shí)，所述噴霧裝置的噴射角度在20°?50°的位置出現(xiàn)了較為明顯的X射線衍射峰，在制備過(guò)程中，硫的含量會(huì)以飽和蒸汽的形式蒸發(fā)而減少，這可能是導(dǎo)致在第一薄膜樣品的XRD譜圖中會(huì)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)代表其他物質(zhì)的衍射峰的可能。
[0027]作為一種優(yōu)選方案，所述玻璃載玻片的表面溫度保持在220°C、所述噴霧裝置的噴射強(qiáng)度在2000?8500之間，所述噴霧裝置的噴射角度在29.0°、32.5°或47.5°。
[0028]表面溫度為220°C時(shí)，所述噴霧裝置的噴射強(qiáng)度在2000?8500之間，所述噴霧裝置的噴射角度在29.0°、32.5°和47.5°的位置出現(xiàn)了較為明顯的X射線衍射峰但雜質(zhì)較多。
[0029]在所述步驟五中，作為一種方案，所述玻璃載玻片的表面溫度保持在230°C?250°C之間、所述噴霧裝置的噴射強(qiáng)度在2000?8500之間，所述噴霧裝置的噴射角度在10°?80°之間。
[0030]表面溫度為230°C?250°C時(shí)，所述噴霧裝置的噴射角度在20°C?60°C的位置出現(xiàn)了較為明顯的X射線衍射峰，說(shuō)明雜質(zhì)增多，晶體的相純度提高升高不明顯。
[0031]作為一種優(yōu)選方案，所述玻璃載玻片的表面溫度保持在245°C、所述噴霧裝置的噴射強(qiáng)度在2000?8500之間，所述噴霧裝置的噴射角度在29.0°、32.5°、47.5°或52.5°。
[0032]表面溫度為245°C時(shí)，所述噴霧裝置的噴射角度在29.0°、32.5°、47.5°和52.5°的位置出現(xiàn)了較為明顯的X射線衍射峰，說(shuō)明雜質(zhì)增多，晶體的相純度提高升高不明顯。
[0033]在所述步驟五中，作為一種方案，所述玻璃載玻片的表面溫度保持在260°C?275°C之間、所述噴霧裝置的噴射強(qiáng)度在2000?8500之間，所述噴霧裝置的噴射角度在30°?50°之間。
[0034]表面溫度保持在260°C?275°C之間，噴霧裝置的噴射角度在30°?50°中出現(xiàn)了明顯的X射線衍射峰。
[0035]作為一種優(yōu)選方案，所述玻璃載玻片的表面溫度保持在270°C、所述噴霧裝置的噴射強(qiáng)度在2000?8500之間，所述噴霧裝置的噴射角度在29.0°或47.5°。
[0036]表面溫度為270°C時(shí)，所述噴霧裝置的噴射角度在29.0°和47.5°的位置出現(xiàn)了較為明顯的X射線衍射峰，說(shuō)明雜質(zhì)增多，晶體的相純度提高升高不明顯，其中29.0°位置衍射峰強(qiáng)度極為明顯，其他位置出現(xiàn)衍射峰現(xiàn)象減少，說(shuō)明雜質(zhì)項(xiàng)變少，晶體的結(jié)晶度也更好。
[0037]在所述步驟五中，作為一種方案，所述玻璃載玻片的表面溫度保持在280°C?295°C之間、所述噴霧裝置的噴射強(qiáng)度在2000?8500之間，所述噴霧裝置的噴射角度在30°?50°之間。
[0038]表面溫度保持在280°C?295°C之間，噴霧裝置的噴射角度在30°?50°的位置中出現(xiàn)了明顯的X射線衍射峰。
[0039]作為一種優(yōu)選方案，所述玻璃載玻片的表面溫度保持在295°C、所述噴霧裝置的噴射強(qiáng)度在2000?8500之間，所述噴霧裝置的噴射角度在29.0°。
[0040]表面溫度保持295°C，噴霧裝置的噴射角度在29.0°的位置中出現(xiàn)了明顯的X射線衍射峰，其他位置也無(wú)明顯衍射峰出現(xiàn)，雜質(zhì)項(xiàng)減少、晶體的相純度提升。
[0041]本發(fā)明根據(jù)不同溫度的方案，得出當(dāng)玻璃載玻片的表面溫