CN109309145A - 一种新型p+/p/n硒化锑薄膜电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于薄膜太阳电池制备技术领域，具体涉及一种新型的P+/P/N硒化锑薄膜电池的制备方法。这种新型薄膜电池是通过在Sb2Se3表面沉积一层超薄的Al2O3薄膜，使Al2O3层在Sb2Se3层内部扩散，提高Sb2Se3的载流子浓度，从而提高电池效率。具体的制备方法为在FTO玻璃上先采用水浴法制备一层厚度大约为40nm的CdS薄膜，再将得到的CdS用氧等离子处理15min，采用RTE的方法在CdS表面沉积一层Sb2Se3薄膜，然后采用ALD技术在Sb2Se3表面沉积原子层的Al2O3薄膜，最后镀一层厚度为80nm的Au，即得P+/P/N硒化锑薄膜电池。
Description
技术领域
本发明属于薄膜太阳能电池制备技术领域，具体涉及一种新型P+/P/N硒化锑薄膜电池的制备方法。
背景技术
近年来，随着地球上有限的石油和煤炭等不可再生资源的逐渐耗尽，可再生能源的利用与开发显得越来越紧迫，其中，太阳能光伏发电将取之不尽的辐射到地面上的太阳能通过太阳电池等光伏器件的光电转换而源源不断地转变成为电能，已经成为可再生能源中最安全、最环保和最具潜力的竞争者。
目前为止，常见的太阳能电池主要包括硅电池，薄膜电池等等，在薄膜电池中主要分为钙钛矿、CIGS与CZTS等，然而钙钛矿电池具有环境不稳定性，CIGS成本较高，CZTS中Sn的熔点较低，在制备过程中及其容易散失，难于制备。而Sb2Se3作为一种二元半导体材料，由于其优异的光电性能，例如：适当的带隙(1.1eV)，吸收系数大(>105cm-1)，高载流子迁移率(10cm2V-1s-1指少数载流子)和长载流子寿命(基于瞬态吸收光谱的60ns)，具有极大的蒸气压(1200Pa@550℃)等使得国内外的许多研究机构对硒化锑薄膜电池展开了更深入的研究。但是，目前硒化锑薄膜电池中缓冲层与硒化锑薄膜的界面复合对其效率有着一定的阻碍，再者因为硒化锑的低载流子浓度较大的限制了其发展。
发明内容
本发明所涉及的一种新型P+/P/N硒化锑薄膜电池的制备方法按以下步骤实施：
(1)FTO基底玻璃的清洗，将FTO玻璃分别用泡沫水，丙酮，乙醇，去离子水分别超声清洗30分钟，并用氮气吹干。
(2)N型CdS薄膜的制备，将清洗干净的FTO玻璃用夹子夹住放入15-20ml硫酸镉，15-25ml硫脲，19-35ml氨水三者共混的溶液中，其中，CdSO4浓度为15mM，硫脲浓度为75mM，氨水的质量分数为25％。以65-80℃为反应温度，反应20-40min得到厚度约为40-70nm的N型CdS薄膜。
(3)P型Sb2Se3薄膜的制备，将步骤(2)得到的CdS薄膜放入等离子机中，RF Power调至70％，氧气流量为15-20cc/min轰击15-60min后，放入装有Sb2Se3粉末的快速退火炉中，工作气压控制在0.34Pa，炉温以5-10℃/s的速度升温至300-330℃，保持20-30min。然后将温度以5-10℃/s的速度升温至560-590℃，保持35-110s，然后自然降温，待50℃以下取出，即制备得P型Sb2Se3薄膜。
(4)P+层薄膜的制备，将步骤(3)得到的Sb2Se3薄膜放入ALD设备中，采用三甲基铝(TMA)作为铝源，以水作为氧源在温度为200℃时以ALD法在P型Sb2Se3表面沉积单原子层的Al2O3薄膜，由于Al2O3扩散进入Sb2Se3层，得到重掺杂P+型Sb2Se3。
以ALD法在P型Sb2Se3表面沉积单原子层的Al2O3薄膜，由于Al2O3是介质材料，为了保证载流子的传输，Al2O3薄膜的厚度必须小。如果厚度太大就在电池中形成了一层绝缘层，导致电池性能会大幅度降低。
(5)Au电极的制备，在步骤(4)得到的硒化锑薄膜上制备金对电极。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明方法具有操作简单，成本低，产业化程度高等优点。采用本方法制备得到的新型P+/P/N硒化锑薄膜电池中Al2O3层在Sb2Se3层内部扩散，这导致Sb2Se3薄膜的载流子浓度增加，Sb2Se3载流子浓度从1013cm-3提升到1015cm-3，获得了6.13％的Sb2Se3太阳能电池效率，对于促进硒化锑薄膜电池的发展具有十分重要的科学意义。
附图说明
图1为本发明制备的P+/P/N电池结构示意图。
图2为本发明制备的P型Sb2Se3薄膜的SEM图。
图3为本发明制备的P+/P/N电池的截面示意图。
图4为本发明制备的P+/P/N电池的效率图。
图5为未在Sb2Se3表面沉积单原子层的Al2O3的电池效率图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步详细说明，这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。
本发明的目的是提供一种新型P+/P/N硒化锑薄膜电池的制备方法，具体过程如下：采用水浴法制备N型CdS薄膜，将得到的CdS薄膜用氧等离子处理15min，然后采用RTE方法制备P型Sb2Se3薄膜，最后采用ALD技术沉积单原子层的Al2O3在Sb2Se3薄膜表面，Al2O3通过扩散进入到Sb2Se3上表面得到P+型Sb2Se3。
实施例1
1、衬底选用FTO玻璃，依次用碱性溶液，丙酮，乙醇，去离子水超声清洗，干燥后备用。
2、N型CdS薄膜的制备
将CdSO4溶液15mL，氨水19mL，硫脲溶液15mL，依次倒入装有250mL去离子水的烧杯中并混合均匀得到共混溶液，将清洗好的FTO玻璃用夹子夹住放入共混溶液中，并且搅拌溶液，反应时间为20min，反应温度为70℃，得到厚度为40nm左右的CdS薄膜，超声吹干放入氧等离子机中，用氧等离子处理15min，得到处理好的N型CdS薄膜。
3、P型Sb2Se3薄膜的制备
(1)将上述处理好的N型CdS薄膜放入装有Sb2Se3粉末的快速退火炉中，利用真空泵将腔体压力抽至0.34Pa。
(2)炉温以10℃/s的速度升温至300℃，保持20min，使得FTO基底与Sb2Se3源得到充分的加热。
(3)然后将温度以10℃/s的速度升温至560℃，保持110s，然后自然降温，待50℃以下取出，即制备得P型Sb2Se3薄膜，采用场发射扫描电镜观察薄膜的表面形貌，发现所制备得到的Sb2Se3薄膜完全结晶。采用霍尔效应测试其电学性能，发现所制备得到的Sb2Se3薄膜是一种P型半导体材料，载流子浓度可以达到1013cm-3。
4、P+型Sb2Se3薄膜的制备
将已经得到的P型Sb2Se3薄膜放入ALD设备当中，利用铝源和水源的充分反应，在P型Sb2Se3表面沉积单原子层的Al2O3，将镀上了Al2O3的P型Sb2Se3薄膜采用透射电镜观察Sb2Se3薄膜的内部结构，发现Al2O3已经扩散到Sb2Se3内部。采用霍尔效应测试其电学性能，发现所制备得到的Sb2Se3薄膜是一种重掺杂P+型半导体材料，载流子浓度可以达到1015cm-3。
5、Au电极的制备
在上述得到的Sb2Se3薄膜表面采用蒸发仪镀一层厚度约为80nm的金电极，即得到一种新型的P+/P/N硒化锑薄膜电池。
表1为本发明利用沉积单原子层Al2O3后，Sb2Se3薄膜的电学性能表。
表1
表1说明沉积了Al2O3之后，由于Al2O3扩散进入Sb2Se3薄膜当中，使得Sb2Se3薄膜上层的载流子浓度增加了，说明形成了一个P+层。
图2说明采用氧等离子处理CdS薄膜后可以调整CdS表面的均匀度，从而使得在CdS薄膜上生长得到的Sb2Se3薄膜更加平整光滑，并防止其二次结晶。
图3说明采用氧等离子处理CdS表面后，可以防止Sb2Se3薄膜的无序生长，即诱导Sb2Se3薄膜的柱状生长。
图4说明在硒化锑薄膜表面沉积单原子层Al2O3之后，电池的效率达到了6.13％。
实施例2
1、衬底选用FTO玻璃，依次用碱性溶液，丙酮，乙醇，去离子水超声清洗，干燥后备用。
2、N型CdS薄膜的制备
将CdSO4溶液20mL，氨水35mL，硫脲溶液25mL，依次倒入装有300mL去离子水的烧杯中并混合均匀得到混合溶液，将清洗好的FTO玻璃用夹子夹住放入混合溶液中，并且搅拌溶液，反应时间为30min，反应温度为65℃，得到厚度为50nm左右的CdS薄膜，超声吹干放入氧等离子机中，用氧等离子处理30min，得到处理好的N型CdS薄膜。
3、P型Sb2Se3薄膜的制备
(1)将上述处理好的N型CdS薄膜放入装有Sb2Se3粉末的快速退火炉中，利用真空泵将腔体压力抽至低于0.34Pa。
(2)炉温以5℃/s的速度升温至330℃，保持30min，使得FTO基底与Sb2Se3源得到充分的加热。
(3)然后将温度以5℃/s的速度升温至590℃，保持60s，然后自然降温，待50℃以下取出，即制备得P型Sb2Se3薄膜，采用场发射扫描电镜观察薄膜的表面形貌，发现所制备得到的Sb2Se3薄膜完全结晶。采用霍尔效应测试其电学性能，发现所制备得到的Sb2Se3薄膜是一种P型半导体材料，载流子浓度可以达到1013cm-3。
4、P+型Sb2Se3薄膜的制备
将已经得到的P型Sb2Se3薄膜放入ALD设备当中，利用铝源和水源的充分反应，在P型Sb2Se3表面镀单原子层的Al2O3，将镀上了Al2O3的P型Sb2Se3薄膜采用透射电镜观察Sb2Se3薄膜的内部结构，发现Al2O3已经扩散到Sb2Se3内部。采用霍尔效应测试其电学性能，发现所制备得到的Sb2Se3薄膜是一种重掺杂P+型半导体材料，载流子浓度可以达到1015cm-3。
5、Au电极的制备
在上述得到的Sb2Se3薄膜表面采用蒸发仪镀一层厚度约为80nm的金电极，即得到一种新型的P+/P/N硒化锑薄膜电池。
硒化锑薄膜表面沉积了单原子层Al2O3之后，电池的效率达到了5.7％。
对比实施例1
1、衬底选用FTO玻璃，依次用碱性溶液，丙酮，乙醇，去离子水超声清洗，干燥后备用。
2、N型CdS薄膜的制备
将CdSO4溶液15mL，氨水19mL，硫脲溶液15mL，依次倒入装有250mL去离子水的烧杯中并搅拌均匀得到混合溶液，将清洗好的FTO玻璃用夹子夹住放入混合溶液中，并且搅拌溶液，反应时间为20min，反应温度为70℃，得到厚度为40nm左右的CdS薄膜，超声吹干放入氧等离子机中，用氧等离子处理15min，得到处理好的N型CdS薄膜。
3、P型Sb2Se3薄膜的制备
(1)将上述处理好的N型CdS薄膜放入装有Sb2Se3粉末的快速退火炉中，利用真空泵将腔体压力抽至0.34Pa。
(2)炉温以10℃/s的速度升温至300℃，保持20min，使得FTO基底与Sb2Se3源得到充分的加热。
(3)然后将温度以10℃/s的速度升温至560℃，保持110s，然后自然降温，待50℃以下取出，即制备得P型Sb2Se3薄膜。采用场发射扫描电镜观察薄膜的表面形貌，发现所制备得到的Sb2Se3薄膜完全结晶。采用霍尔效应测试其电学性能，发现所制备得到的Sb2Se3薄膜是一种P型半导体材料，载流子浓度为1013cm-3
4、Au电极的制备
在上述得到的Sb2Se3薄膜表面采用蒸发仪镀一层厚度约为80nm的金电极，即得到一种P/N硒化锑薄膜电池。
图5说明未在硒化锑膜表面沉积单原子层Al2O3，电池的效率为4.74％。
Claims (6)
1.一种新型P+/P/N硒化锑薄膜电池的制备方法，其特征在于：所述制备方法具体步骤如下：
(1)采用化学浴沉积的方法，在FTO衬底上制备N型的CdS薄膜；
(2)采用氧等离子处理的方法，将步骤(1)得到的CdS薄膜采用氧等离子处理15min；
(3)采用快速热蒸发的方法，在步骤(2)得到的CdS薄膜上沉积一层P型Sb2Se3薄膜；
(4)采用ALD技术的方法，在步骤(3)得到的Sb2Se3薄膜上沉积单原子层的Al2O3薄膜；
(5)制备Au电极。
2.如权利要求1所述的新型P+/P/N硒化锑薄膜电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)按以下步骤进行：对FTO玻璃依次用泡沫水，丙酮，乙醇和去离子水超声清洗30分钟，干燥后用水浴法制备N型CdS薄膜。
3.如权利要求2所述的新型P+/P/N硒化锑薄膜电池的制备方法，其特征在于：所述水浴法制备N型CdS薄膜的方法为：将清洗干净的FTO玻璃用夹子夹住放入15-20ml硫酸镉，15-25ml硫脲，19-35ml氨水三者共混的溶液中，以65-80℃为反应温度，反应20-40min得到厚度为40-70nm的N型CdS薄膜。
4.如权利要求1所述的新型P+/P/N硒化锑薄膜电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)按以下步骤进行：将步骤(1)所得的N型CdS薄膜放入等离子机中，用高纯氧轰击15-60min；其中，等离子机RF Power调至70％，氧气流量为15-20cc/min。
5.如权利要求1所述的新型P+/P/N硒化锑薄膜电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)按以下步骤进行：将步骤(2)得到的N型CdS薄膜放入装有Sb2Se3粉末的快速退火炉中，工作气压控制在0.34Pa，炉温以5-10℃/s的速度升温至300-330℃，保持20-30min，然后以5-10℃/s的速度将温度升温至560-590℃，保持35-110s，然后自然降温，待50℃以下取出，即制备得P型Sb2Se3薄膜。
6.如权利要求1所述的新型P+/P/N硒化锑薄膜电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)按以下步骤进行：将步骤(3)得到的P型Sb2Se3薄膜放入ALD设备中，采用三甲基铝(TMA)作为铝源，以水作为氧源在温度为200℃时以ALD法在P型Sb2Se3表面沉积单原子层的Al2O3薄膜。
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