CN104701394B - 一种具有择优取向的Cu2ZnSn(S1‑xSex)4薄膜 - Google Patents
一种具有择优取向的Cu2ZnSn(S1‑xSex)4薄膜 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有择优取向的Cu2ZnSn(S1‑xSex)4薄膜,包括沉积在衬底表面的种子层、以及沉积在种子层之上的Cu2ZnSn(S1‑xSex)4层,其中0≤x≤1。其中,种子层具有择优取向,厚度为5~15nm;Cu2ZnSn(S1‑xSex)4层具有择优取向,厚度为0.1~2μm。种子层的材料为Cu2ZnSn(S1‑ xSex)4中所含金属元素的硫化物或硒化物。与现有技术相比,本发明选择与Cu2ZnSn(S1‑xSex)4晶格错配度低的材料在衬底与薄膜之间形成具有择优取向的种子层,而后在种子层上沉积Cu2ZnSn(S1‑xSex)4层,具有择优取向的种子层能够有效的控制Cu2ZnSn(S1‑xSex)4微观组织结构,诱发Cu2ZnSn(S1‑xSex)4择优取向生长,并提高其取向度。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有择优取向的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜,属于薄膜太阳能电池领域。
背景技术
以薄膜作为太阳能电池的吸收层材料是降低电池成本的重要途径,作为已经商业化制备的薄膜太阳能电池,CdTe和Cu(In,Ga)(S,Se)2得到了迅速发展。2011年,两种太阳能电池的产能超过1GW,但是这两种电池中都含有稀有贵金属元素,Cd以及In和Ga,这无形中又增加了薄膜太阳能电池的制备成本,不利于可持续发展。因此,选择元素丰度高、无污染(少污染)的材料作为薄膜太阳能电池的吸收层材料就显得至关重要。
近年来,Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜太阳能电池成为各国研究的热点,Cu2ZnSn(S1- xSex)4用地壳中含量丰富的Zn和Sn取代Cu(In,Ga)(S,Se)2中的稀有贵金属In和Ga,极大降低了太阳能电池的制备成本,因此Cu2ZnSn(S1-xSex)4是一种可持续发展的薄膜太阳能电池吸收层材料。目前,Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜太阳能电池的效率得到显著提高,如2009年,Hironori katagiri[Hironori Katagiri,et al.,Thin Solid Films,517(2009),2455-2460]等采用三靶共溅射并后续硫化技术,制备了效率达6.7%的Cu2ZnSnS4薄膜太阳能电池;2010年,Guo Q.J.[QijieGuo,et al.,J.Am.Chem.Soc.,132(2010),17384-17386]等采用热注入法制备了Cu2ZnSn(S1-xSex)4纳米晶,而后通过刮刀涂布法制备了效率达7.2%的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜太阳能电池;2010年,Teodor K.[Teodor K.,et al.,Adv.Mater.,22(2010),E156-E159]等采用液体悬浮涂覆法制备出效率达9.6%的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜太阳能电池;2012年,Takuya Kato[Takuya Kato,et al.,27thEuropean Photovoltaic SolarEnergy Conference and Exhibition(2012),2236-2239]等采用真空蒸发技术,制备出面积5×5cm2的效率达9.2%的Cu2ZnSnS4薄膜太阳能电池;2012年,D.Aaron.R.[D.Aaron R.etal.,Prog.Photovolt:Res.Appl.,20(2012),6-11]等通过旋涂Cu2ZnSn(S1-xSex)4浆料的方法制备出效率达10.1%的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜太阳能电池;2013年,Teodor K.[TeodorK.et al.,Adv.Energy Mater.,3(2013),34-38]等采用液体悬浮涂覆法制备出效率超过11%的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜太阳能电池。这些成果的取得,昭示出Cu2ZnSnS4薄膜太 阳能电池的应用可行性。
薄膜中如果某一晶面取向分布概率的极大值位于薄膜表面方向,则薄膜具有该晶面的择优取向。在薄膜生长过程中,薄膜通常处于各向异性场的作用下,所以薄膜中往往存在结晶择优取向,可以认为择优取向是薄膜的内在属性。薄膜择优取向与衬底诱发及薄膜生长过程等因素密切相关,影响薄膜择优取向形成的因素包括:衬底诱发、表面能最低、薄膜材料与衬底热膨胀系数差异等。在薄膜材料中,在衬底与薄膜之间制备种子层,通过种子层改变衬底的表面性质,能够有效的诱发薄膜的取向生长。如有文献报道,种子层能够控制锆钛酸铅薄膜(100)和(111)择优取向的形成,同时,由于择优取向的强烈各向异性,薄膜择优取向会对薄膜性能产生重要影响[Chi Q.G.et al.,Script Materialia,60(2009),218-220]。
对于薄膜太阳能电池,控制吸收层的择优取向有利于优化电池表现,具体体现在以下三个方面:首先,当吸收层具有择优取向时,吸收层会呈现柱状晶生长,这样一来,载流子在输运过程中就可以不经过晶界,从而避免载流子在晶界处的复合,提高电池效率;其次,不同择优取向对载流子的输运影响作用不同,适当的择优取向可以进一步降低载流子的复合概率,从而提高转换效率,如,Hanna[G.Hanna et al.,Appl.Phys.A,82(2005),1-7]等调查了不同取向的Cu(In,Ga)Se2吸收层薄膜,发现(220/204)择优取向会产生更高的电池效率,电池效率的提高是由于特殊的晶界带有负或中性电荷,负电荷和中性电荷有利于减少电子的活性,从而减少载流子的复合;最后,半导体的各向异性光吸收与结构有关,这点可以用来提高半导体的光伏和光电化学表现。但是,在Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜太阳能电池中,文献中报道的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜取向度通常较低,并且报道的择优取向类型也较单一,因此,有必要采用种子层诱导Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜择优取向生长,并提高Cu2ZnSn(S1- xSex)4薄膜取向度,以便更清晰的理解择优取向对Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜太阳能电池性能的影响机理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有择优取向的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种具有择优取向的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜,包括沉积在衬底表面的种子层、以及沉积在种子层之上的Cu2ZnSn(S1-xSex)4层,其中0≤x≤1。
其中,所述种子层具有择优取向,种子层过厚有可能严重改变 Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜的成分,必须将种子层厚度控制在较薄的范围内,因此,本发明中种子层的厚度控制在5~15nm。Cu2ZnSn(S1-xSex)4层在具有择优取向的种子层的诱导作用下也具有择优取向,种子层的诱导作用随Cu2ZnSn(S1-xSex)4层厚度增加,效果逐渐减弱,必须将Cu2ZnSn(S1-xSex)4层厚度控制在一定范围内,因此,本发明中Cu2ZnSn(S1-xSex)4层的厚度控制在0.1~2μm。
其中,种子层的材料为Cu2ZnSn(S1-xSex)4中所含金属元素的硫化物或硒化物。其中,硫化物可以选择立方结构的ZnS、Cu2S、CuS2或Cu3SnS4。硒化物可以选择立方结构的ZnSe、Cu2Se、Cu2SnSe3或Cu2SnSe4。选择上述种子层主要出于以下两点原因:第一、种子层诱发薄膜择优取向生长主要是通过晶格匹配作用来实现的,上述种子层是立方相材料,晶格常数a=b=c,Cu2ZnSn(S1-xSex)4是四方相材料,晶格常数a’=b’≈0.5c’,并且,通过比较可知,种子层晶格常数a和b近似等于Cu2ZnSn(S1-xSex)4晶格常数a’和b’,c≈0.5c’,a、b和c与a’、b’和0.5c’的错配度基本在[-5%,5%]范围内,错配度较低,即种子层晶格排布与四方相Cu2ZnSn(S1-xSex)4晶格排布类似,这样,具有择优取向的种子层才能够诱发Cu2ZnSn(S1- xSex)4薄膜择优取向生长,并提高薄膜的取向度;第二、上述材料中所含元素均为Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜中所含元素,这样便不会在薄膜中引入杂质元素,从而避免产生不必要的负面作用。
在本发明中,所使用的衬底为玻璃衬底、石英衬底、硅衬底或不锈钢衬底,或者为镀有Mo层、ITO(氧化铟锡)层或FTO(掺氟二氧化锡)层的玻璃衬底、石英衬底、硅衬底、不锈钢衬底。
本发明的优点在于:
本发明选择与Cu2ZnSn(S1-xSex)4晶格错配度低的材料在衬底与薄膜之间形成具有择优取向的种子层,而后在种子层上沉积Cu2ZnSn(S1-xSex)4层,具有择优取向的种子层能够有效的控制Cu2ZnSn(S1-xSex)4微观组织结构,诱发Cu2ZnSn(S1-xSex)4择优取向生长,并提高其取向度。
附图说明
图1为具有择优取向的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示,本发明的具有择优取向的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜,包括沉积在衬底1表面的种子层2、以及沉积在种子层2之上的Cu2ZnSn(S1-xSex)4层3。其中,种子层具有择优取向,厚度为5~15nm;Cu2ZnSn(S1-xSex)4层具有择优取向, 厚度为0.1~2μm。
实施例1
本实施例的具有择优取向的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜,衬底选用Si(100)基片,种子层为(111)取向的ZnS层,厚度为10nm,Cu2ZnSnS4(x=0)层为(112)择优取向,厚度为2μm。
该薄膜的制备方法包括如下步骤:
步骤1:衬底清洗及表面处理:
依序使用去离子水、丙酮及无水乙醇分别对Si(100)基片进行超声清洗,清洗时间为10min,用氮气枪吹掉衬底表面残存的乙醇;对衬底进行氧等离子体表面处理,处理时间为10min;将氧等离子体处理好的衬底放入真空储存干燥器中备用。
步骤2:种子层制备:
采用化学气相沉积法制备10nm厚(111)择优取向的ZnS薄膜。系统背底真空抽至2.7×10-5Pa,用二甲基二硫代氨基甲酸锌Zn[S2CN(CH3)2]2作为前驱体,前驱体Zn[S2CN(CH3)2]2分压为2×10-3Pa,将衬底加热至450℃,沉积5min。
步骤3:Cu2ZnSn(S1-xSex)4层制备:
采用磁控溅射制备2μm厚具有(112)择优取向的Cu2ZnSnS4(x=0)层。背底真空度为6×10-5Pa,采用CuSn(Cu:66%at.,Sn:34%at.)合金靶以及Zn靶制备薄膜,靶的直径为60mm,厚度为4mm,靶基距为100mm,衬底转速为5转/分,CuSn合金靶的功率为180W,Zn靶的溅射功率为165W,以H2S作为硫化气体,气体流量为20sccm,溅射气压为0.65Pa,衬底温度为300℃,溅射时间为60min。
实施例2
本实施例的具有择优取向的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜,衬底选用ITO涂覆的钠钙玻璃基片,种子层为(200)取向的ZnS层,厚度为8nm,Cu2ZnSnS4(x=0)层为(200)择优取向,厚度为1μm。
该薄膜的制备方法包括如下步骤:
步骤1:衬底清洗及表面处理:
依序使用去离子水、丙酮及无水乙醇分别对ITO涂覆的钠钙玻璃基片进行超声清洗,清洗时间为10min,用氮气枪吹掉衬底表面残存的乙醇;对衬底进行氧等离子体表面处理,处理时间为10min;将氧等离子体处理好的衬底放入真空储存干燥器中备用。
步骤2:种子层制备:
采用脉冲电沉积法制备8nm厚(200)择优取向的ZnS薄膜。电解液中包含7.5mmol/L的ZnSO4·7H2O、3mmol/L的Na2S2O3以及3mmol/L的Na3C6H5O7·2H2O,其中Na3C6H5O7·2H2O是螯合剂,使用稀释的硫酸调节电解液的pH值至4.1,在工作电极上沉积ZnS薄膜,衬底温度为90℃,以饱和甘汞为参比电极,以Pt片为对电极,以ITO涂覆的钠钙玻璃衬底作为工作电极,在沉积过程中,与参比电极相比,施加在工作电极上的脉冲电势,在-1.2V持续10s,在-0.8V持续5s,沉积时间为3min。
步骤3:Cu2ZnSn(S1-xSex)4层制备:
采用磁控溅射制备1μm厚具有(200)择优取向的Cu2ZnSnS4(x=0)层。背底真空为7×10-5Pa,采用CuSn(Cu:66%at.,Sn:34%at.)合金靶以及Zn靶制备薄膜,靶材直径为60mm,厚度为4mm,靶基距为80mm,衬底转速为5转/分,CuSn合金靶的功率为80W,Zn靶的溅射功率为73W,以H2S作为硫化气体,气体流量为10sccm,溅射气压为0.32Pa,衬底温度为450℃,溅射时间120min。
实施例3
本实施例中一种具有择优取向的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜,衬底选用Mo涂覆的钠钙玻璃基片,种子层为(111)取向的ZnSe层,厚度为5nm,Cu2ZnSn(S0.48Se0.52)4(x=0.52)层为(112)择优取向,厚度为0.1μm。
该薄膜的制备方法包括如下步骤:
步骤1:衬底清洗及表面处理:
依序使用去离子水、丙酮及无水乙醇分别对Mo涂覆的钠钙玻璃基片进行超声清洗,清洗时间为10min,用氮气枪吹掉衬底表面残存的乙醇;对衬底进行氧等离子体表面处理,处理时间为10min;将氧等离子体处理好的衬底放入真空储存干燥器中备用。
步骤2:种子层制备:
采用射频磁控溅射法制备5nm厚(111)择优取向的ZnSe薄膜。背底真空为8×10- 4Pa,靶材为ZnSe靶,靶直径为60mm,靶基距为65mm,溅射功率为50W,溅射气压为0.4Pa,衬底温度为400℃,溅射时间1min。
步骤3:Cu2ZnSn(S1-xSex)4层制备:
采用脉冲激光沉积技术制备0.1μm厚具有(112)择优取向的Cu2ZnSn(S0.48Se0.52)4(x=0.52)层。背底真空2.0×10-4Pa,靶材是Cu2ZnSn(S0.50Se0.50)4(x=0.50)片,靶基距是45mm,KrF准分子激光脉冲,波长248nm,脉冲持续时间30ns,脉冲能量密度2J/cm2,重复频率5Hz,Ar气压9Pa, 衬底温度400℃,沉积10min。
实施例4
本实施例的具有择优取向的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜,衬底选用钠钙玻璃基片,种子层为(111)取向的ZnSe层,厚度为15nm,Cu2ZnSnSe4(x=1)层为(112)择优取向,厚度为1.5μm。
该薄膜的制备方法包括如下步骤:
步骤1:衬底清洗及表面处理:
依序使用去离子水、丙酮及无水乙醇分别对钠钙玻璃基片进行超声清洗,清洗时间为10min,用氮气枪吹掉衬底表面残存的乙醇;对衬底进行氧等离子体表面处理,处理时间为10min;将氧等离子体处理好的衬底放入真空储存干燥器中备用。
步骤2:种子层制备:
采用真空蒸发技术制备了15nm厚(111)择优取向的ZnSe种子层。背底真空6×10- 4Pa,蒸发材料为ZnSe,衬底温度为350℃,衬底和蒸发源之间的距离为25em,电流为150A,沉积1min。
步骤3:Cu2ZnSn(S1-xSex)4层制备:
采用共蒸发技术制备1.5μm厚具有(112)择优取向的Cu2ZnSnSe4(x=1)层。背底真空是4×10-4Pa,蒸发源是Cu、Sn、ZnSe和Se,衬底温度为350℃,衬底转速是8转/分,沉积1小时。沉积结束后,薄膜在450℃下硒化1小时。
Claims (2)
1.一种具有择优取向的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜,其特征在于,包括沉积在衬底表面的种子层、以及沉积在种子层之上的Cu2ZnSn(S1-xSex)4层,其中0≤x≤1;所述种子层具有择优取向,厚度为5~15nm;所述Cu2ZnSn(S1-xSex)4层具有择优取向,厚度为0.1~2μm;所述种子层的材料为Cu2ZnSn(S1-xSex)4中所含金属元素的硫化物或硒化物;所述硫化物为立方结构的ZnS、Cu2S、CuS2或Cu3SnS4;所述硒化物为立方结构的ZnSe、Cu2Se、Cu2SnSe3或Cu2SnSe4。
2.根据权利要求1所述的具有择优取向的Cu2ZnSn(S1-xSex)4薄膜,其特征在于,所述衬底为玻璃衬底、石英衬底、硅衬底或不锈钢衬底,或者为镀有Mo层、ITO层或FTO层的玻璃衬底、石英衬底、硅衬底、不锈钢衬底。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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