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CN102447009B - 一种太阳电池吸收层薄膜材料的制备方法 - Google Patents

一种太阳电池吸收层薄膜材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种太阳电池吸收层薄膜材料的制备方法。先在基底上磁控溅射钼金属作为前驱体，再采用三电极电化学体系沉积Cu3Bi合金层薄膜，作为预制膜，最后将金属预制膜Cu3Bi硫化及退火处理，得到Cu3BiS3(CBS)薄膜。该吸收层薄膜材料为直接带隙材料，其禁带宽度接近1.24eV，接近单结太阳能电池的最优带隙，在可见光区光吸收系数＞105cm-1。

Description

一种太阳电池吸收层薄膜材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳电池吸收层薄膜材料的制备方法，属于光伏电池材料制备技术领域。
背景技术：
目前，两种主流的薄膜太阳能电池吸收层半导体材料，铜铟镓硒(CIGS)材料和碲化镉(CdTe)材料，在面向大规模生产时受到原材料稀缺、昂贵、组成元素的毒性约束，如CIGS中In金属非常昂贵，CdTe中的Te产量有限，在电池发电量达到GW量级时都会出现原材料瓶颈。另外Cd有毒性，进一步增加了生产的难度，因此，需要寻找更优的吸收层半导体。
近年来，出于寻找廉价、环保、高效的太阳能电池吸收层半导体材料的需要，三元硫族半导体吸引了人们越来越多的关注.其中铜铋硫(Cu3BiS3，简称CBS)半导体受到最多关注，这种三元半导体材料仅包含自然界储量丰富、廉价、对环境无害的元素。另外，实验测量发现，其禁带宽度隙为1.4eV，接近单结太阳能电池的最优带隙，并且其光吸收系数很高(＞105cm-1)，具有高的光电转换效率。
Cu3BiS3(CBS)薄膜材料的制备方法公知的有热蒸发法、固态响应化学水浴法及物理蒸发沉积法等，此类材料的研究面临着许多问题和困难，目前在薄膜太阳电池中作为吸收层材料的成功制备专利及应用仍未见报道，大多数的研究停留在改变合成方法或者成分、温度等条件来进行合成材料-制作器件-测量性能参数的层次，尽管观察到器件性能的变化，却缺乏对微观物理机制的深层理解，对器件性能的优化基于经验。
发明内容：
针对背景技术提出的问题，本发明的目的在于提供一种太阳电池光伏吸收材料Cu3BiS3(CBS)薄膜的制备方法。先在基底上磁控溅射钼金属作为前驱体，再采用三电极电化学体系沉积Cu3Bi合金层薄膜，作为预制膜，最后将金属预制膜Cu3Bi硫化及退火处理，得到Cu3BiS3(CBS)薄膜。
本发明的具体实施步骤为：
采用射频(RF)磁控溅射方法，先在钠钙玻璃基底上磁控溅射钼(Mo)金属层，然后采用一步电化学体系在钼(Mo)金属层上沉积Cu3Bi合金层，最后将Cu3Bi合金层进行硫化及退火处理，得到Cu3BiS3(CBS)吸收层成品。
本发明与公知技术相比具有的优点及积极效果：
1.吸收层的制备不需要真空条件，电化学沉积采用一步沉积法，沉积过程中采用恒电位方式，在室温下无需搅拌，合金的沉积量可通过监测沉积电荷量来控制，操作简单；2.吸收层材料为直接带隙材料，其禁带宽度接近1.24eV，接近单结太阳能电池的最优带隙，在可见光区光吸收系数大(＞105cm-1)。
附图说明：
图1为本发明工艺流程图。图2为电化学沉积薄膜的装置示意图。图中1为工作电极，2为钼金属前驱体，3为电解液，4为电化学沉积箱，5为Hg|HgO参比电极，6为电化学工作站，7为电极连接导线，8为铂金对电极。图3为薄膜沉积结构示意图。
具体实施方式：
(1)将基底尺寸为10mm×10mm的钠碱玻璃依次采用洗涤剂、蒸馏水、异丙酮及乙醇进行超声清洗10分钟，并用流量为0.1m3/h氮气干燥10分钟；
(2)在基底上采用射频(RF)磁控溅射沉积1μm厚的钼层前驱体；
(3)用去离子水和纯度为99.99％的金属盐配制电解液，电解液为含9毫摩尔硝酸铋(Bi(NO3))，30毫摩尔硫酸铜二水化合物(CuSO4.2H2O)，2摩尔氢氧化钠(NaOH)和0.2摩尔山梨醇的混合溶液；
(4)采用三电极电化学体系，以用制备好的钼层前驱体作为工作电极、采用铂金片作为对电极、采用Ag|AgCl作为参比电极，在配制好的电解液中沉积Cu3Bi合金层。沉积过程在室温下无搅拌进行，采用恒电位(Autolab 20稳压器)方式，Cu3Bi合金沉积的化学电势为-0.75V(相对于.Ag|AgCl参比电极)，沉积量通过监测沉积电荷量来控制，时间50-60分钟，得到Cu3Bi合金预制膜；
(5)用去离子水清洗合金预制膜，并用流量为0.1m3/h的氮气干燥30分钟；
(6)将Cu3Bi合金预制膜放入石墨容器，并将其置入石英炉管内；
(7)往石英炉内充入1巴压强的氮气作为载气，再往石英炉内充入压力1Pa，纯度为99.999wt％，流量为0.1m3/h的硫蒸气，在450-500C0炉温下加热30分钟，自然冷却至室温，得到2μm厚的Cu3BiS3(CBS)薄膜成品。

Claims (1)

1.一种太阳电池吸收层薄膜材料的制备方法，其特征在于：采用射频磁控溅射方法，先在钠钙玻璃基底上溅射钼金属层，然后采用一步电化学体系在钼金属层上沉积Cu3Bi合金层，最后将Cu3Bi合金层进行硫化及退火处理，得到Cu3BiS3吸收层，
所述的制备方法按以下步骤实施
(1)将基底尺寸为10mm×10mm的钠钙玻璃依次采用洗涤剂、蒸馏水、异丙酮及乙醇进行超声清洗10分钟，并用流量为0.1m3/h氮气干燥10分钟；
(2)在基底上采用射频(RF)磁控溅射沉积1μm厚的钼层前驱体作为背电极；
(3)去离子水和纯度为99.99％的金属盐配制电解液，该电解液为含9毫摩尔硝酸铋，30毫摩尔硫酸铜二水化合物，2摩尔氢氧化钠和0.2摩尔山梨醇的混合溶液；
(4)采用三电极电化学体系，以用制备好的钼层前驱体作为工作电极、采用铂金片作为对电极、采用Ag|AgCl作为参比电极，在配制好的电解液中沉积Cu3Bi合金层，沉积过程在室温下无搅拌进行，采用Autolab20稳压器恒电位方式，相对于Ag|AgCl参比电极而言Cu3Bi合金沉积的化学电势为-0.75V，沉积量通过监测沉积电荷量来控制，时间50-60分钟，得到Cu3Bi合金预制膜；
(5)用去离子水清洗合金预制膜，并用流量为0.1m3/h的氮气干燥30分钟；
(6)将Cu3Bi合金预制膜放入石墨容器，并将其置入石英炉管内，往石英炉内充入1巴压强的氮气作为载气，再往石英炉内充入压力1Pa，纯度为99.99wt％，流量为0.1m3/h的硫蒸气，在450-500℃炉温下加热30分钟，自然冷却至室温，得到2μm厚的Cu3BiS3薄膜成品。
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One-Step Synthesis and Optical and Electrical Properties of Thin Film Cu3BiS3 for Use as a Solar Absorber in Photovoltaic Devices;N.J.Gerein et al;《Chem. Mater.》;20061219;第18卷;第6297-6302页 *

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