CN109473495B - 一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法 - Google Patents

一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法,该方法包括以下步骤:⑴先根据CdZnS缓冲层薄膜的导带位置及其禁带宽度确定镉盐和锌盐比例,然后分别配制镉盐水溶液和锌盐水溶液,最后将镉盐水溶液与锌盐水溶液混合,得到镉盐和锌盐的混合水溶液;⑵配制硫脲水溶液;⑶将镉盐和锌盐的混合水溶液置于预先加热的水浴锅中并搅拌;⑷在步骤⑶的镉盐和锌盐的混合水溶液中加入氨水,调pH值络合,得到络合溶液;然后将装有样品的夹具置入其中处理;⑸络合溶液中加入硫脲水溶液,并根据硫化镉缓冲层所需厚度计时;⑹取出样品并用去离子水冲洗干净,即得CdZnS缓冲层薄膜。本发明简单易行,所得的CdZnS缓冲层薄膜性能优异,进而提高了硫族化合物薄膜太阳能电池性能。

Description

一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域,尤其涉及一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法。
背景技术
硫族化合物薄膜太阳能电池(铜铟镓硒(CIGS),碲化镉(CdTe),铜锌硒硫硒(CZTSSe)等)具有光响应范围宽、弱光相应优异、高稳定性、抗辐射、长寿命、光电转换效率高、成本低等特点,是极具发展前途的光伏电池技术。硫化镉缓冲层薄膜是硫族化合物薄膜太阳能电池中最常用的n型缓冲层材料,硫化镉缓冲层薄膜的制备直接影响p-n结的质量,而p-n结的质量最终决定器件性能,因此,制备性能优异的缓冲层对薄膜太阳能电池性能改善起着十分重要的作用。此外,硫化镉缓冲层的带隙及与吸收层薄膜之间的能级匹配还需要进一步优化。比如CdS/CdTe异质结薄膜太阳能电池中CdS带隙相对较小,因为0.1 mm的CdS薄膜可吸收36%的能量高于2.42 eV入射光。在铜铟镓硒和铜锌硒硫硒太阳能电池中,CdS和吸收层异质界面处不理想的导带能级排列及晶格失配等缺点会导致器件性能降低,如CdS的CBM低于CZTS的CBM。
将Zn引入CdS晶格可有效增加CdS的带隙,除了降低缓冲层的吸收光量外,还可以根据掺杂量调控其导带位置,得到理想的能带排列。据此,CdZnS作为缓冲层薄膜可优化薄膜太阳能电池的性能。
化学水浴沉积方法具有设备简单易操作,薄膜均匀平整且覆盖度高等其它方法不具备的特有优势,成为当前制备缓冲层薄膜最常用的方法。同时,缓冲层沉积过程中对吸收层进行阳离子前处理也可提高器件效率。因此,如何实现化学水浴沉积方法制备CdZnS缓冲层薄膜对进一步改善硫族化合物薄膜太阳能电池性能具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高硫族化合物薄膜太阳能电池性能的分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法。
为解决上述问题,本发明所述的一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法,包括以下步骤:
⑴先根据CdZnS缓冲层薄膜的导带位置及其禁带宽度确定镉盐和锌盐比例,然后分别配制镉盐水溶液和锌盐水溶液,最后将所述镉盐水溶液与所述锌盐水溶液混合,得到总浓度为0.01~0.5 mol/L的镉盐和锌盐的混合水溶液;
⑵配制浓度为1~5 mol/L的硫脲水溶液;
⑶将所述镉盐和锌盐的混合水溶液置于预先加热至50~80℃的水浴锅中并搅拌5~10min;
⑷在所述步骤⑶的镉盐和锌盐的混合水溶液中加入氨水,使pH值调节至10~12.5,并络合3~10min,得到络合溶液;然后将装有样品的夹具置入其中处理5~20min;
⑸所述络合溶液中加入所述硫脲水溶液,并根据硫化镉缓冲层所需厚度计时3~20min;
⑹取出所述样品并用去离子水冲洗干净,即得CdZnS缓冲层薄膜。
所述步骤⑴中的镉盐是指硫酸盐、氯化盐、碘化盐或醋酸盐中的一种。
所述步骤⑴中的锌盐是指硫酸盐、醋酸盐或氯化盐中的一种。
所述步骤⑶中的样品是指硫族化合物吸收层薄膜或玻璃。
所述步骤⑷中的氨水质量百分比浓度为25%~28%。
所述步骤⑸硫脲与络合溶液中的金属离子的摩尔比为1:1~10:1。
所述步骤⑸中硫化镉缓冲层的厚度为10~200 nm。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明根据CdZnS缓冲层薄膜的导带位置及其禁带宽度确定镉盐和锌盐比例,然后分别配制镉盐水溶液和锌盐水溶液,有利于后期对吸收层进行金属阳离子预处理。
2、本发明可通过沉积温度的调整来控制CdZnS缓冲层薄膜的结晶质量、沉积速率、晶粒尺寸。由图1和图2可以看出CdZnS缓冲层薄膜的X射线衍射图和拉曼谱图中各衍射峰均发生了偏移,说明原子半径较小的Zn部分取代了原子半径较大的Cd原子使得晶格发生了形变。
3、本发明在镉盐和锌盐的混合水溶液中加入氨水进行络合,不但可以对吸收层表面进行阳离子预处理,而且还可以对吸收层表面进行适当刻蚀去除污物。
4、本发明根据硫化镉缓冲层所需厚度计时分步加入硫脲水溶液,有利于缓冲层薄膜的均匀生长,并降低或消除分流通道。
5、本发明通过在硫化物吸收层薄膜及玻璃等基底上采用分步加入前驱体材料的方法对前驱体薄膜进行Cd、Zn双阳离子预处理,改善了p-n结的界面特性,从而可制备得到性能优异的CdZnS缓冲层薄膜,进而提高了薄膜太阳能电池器件的效率。由图3可以发现所制备CdZnS缓冲层薄膜的吸收边发生了蓝移,说明其带隙变宽。
6、本发明所用前驱体溶液调节方便,生产设备简单,适于规模化生产。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为所制备CdS及CdZnS缓冲层薄膜的X射线衍射对比图谱。
图2为所制备CdS及CdZnS缓冲层薄膜的拉曼散射对比图谱。
图3为所制备CdS及CdZnS缓冲层薄膜的紫外-可见吸收对比图谱。
具体实施方式
实施例1 一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法,包括以下步骤:
⑴先根据CdZnS缓冲层薄膜的导带位置及其禁带宽度确定硫酸镉和硫酸锌比例,然后分别配制镉盐水溶液和锌盐水溶液,最后将镉盐水溶液与锌盐水溶液混合,得到总浓度为0.01 mol/L的镉盐和锌盐的混合水溶液。
⑵配制浓度为1 mol/L的硫脲水溶液。
⑶将镉盐和锌盐的混合水溶液置于预先加热至50℃的水浴锅中并搅拌10min。
⑷在步骤⑶的镉盐和锌盐的混合水溶液中加入质量百分比浓度为25%的氨水,使pH值调节至10~12.5,并络合3~10min,得到络合溶液;然后将装有样品的夹具置入其中处理5min。
⑸络合溶液中加入硫脲水溶液,并根据硫化镉缓冲层所需厚度10 nm计时3min。
其中:硫脲与络合溶液中的金属离子的摩尔比为1:1。
⑹取出样品并用去离子水冲洗干净,即得CdZnS缓冲层薄膜。
实施例2 一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法,包括以下步骤:
⑴先根据CdZnS缓冲层薄膜的导带位置及其禁带宽度确定氯化镉和醋酸锌比例,然后分别配制镉盐水溶液和锌盐水溶液,最后将镉盐水溶液与锌盐水溶液混合,得到总浓度为0.5 mol/L的镉盐和锌盐的混合水溶液。
⑵配制浓度为5 mol/L的硫脲水溶液。
⑶将镉盐和锌盐的混合水溶液置于预先加热至80℃的水浴锅中并搅拌5min。
⑷在步骤⑶的镉盐和锌盐的混合水溶液中加入质量百分比浓度为28%的氨水,使pH值调节至10~12.5,并络合3~10min,得到络合溶液;然后将装有样品的夹具置入其中处理20min。
⑸络合溶液中加入硫脲水溶液,并根据硫化镉缓冲层所需厚度200 nm计时20min。
其中:硫脲与络合溶液中的金属离子的摩尔比为10:1。
⑹取出样品并用去离子水冲洗干净,即得CdZnS缓冲层薄膜。
实施例3 一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法,包括以下步骤:
⑴先根据CdZnS缓冲层薄膜的导带位置及其禁带宽度确定碘化镉和氯化锌比例,然后分别配制镉盐水溶液和锌盐水溶液,最后将镉盐水溶液与锌盐水溶液混合,得到总浓度为0.1 mol/L的镉盐和锌盐的混合水溶液。
⑵配制浓度为2 mol/L的硫脲水溶液。
⑶将镉盐和锌盐的混合水溶液置于预先加热至60℃的水浴锅中并搅拌8min。
⑷在步骤⑶的镉盐和锌盐的混合水溶液中加入质量百分比浓度为26%的氨水,使pH值调节至10~12.5,并络合3~10min,得到络合溶液;然后将装有样品的夹具置入其中处理8min。
⑸络合溶液中加入硫脲水溶液,并根据硫化镉缓冲层所需厚度80 nm计时3~20min。
其中:硫脲与络合溶液中的金属离子的摩尔比为4:1。
⑹取出样品并用去离子水冲洗干净,即得CdZnS缓冲层薄膜。
实施例4 一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法,包括以下步骤:
⑴先根据CdZnS缓冲层薄膜的导带位置及其禁带宽度确定醋酸镉和醋酸锌比例,然后分别配制镉盐水溶液和锌盐水溶液,最后将镉盐水溶液与锌盐水溶液混合,得到总浓度为0.3 mol/L的镉盐和锌盐的混合水溶液。
⑵配制浓度为4 mol/L的硫脲水溶液。
⑶将镉盐和锌盐的混合水溶液置于预先加热至70℃的水浴锅中并搅拌6min。
⑷在步骤⑶的镉盐和锌盐的混合水溶液中加入质量百分比浓度为27%的氨水,使pH值调节至10~12.5,并络合3~10min,得到络合溶液;然后将装有样品的夹具置入其中处理15min。
⑸络合溶液中加入硫脲水溶液,并根据硫化镉缓冲层所需厚度150 nm计时3~20min。
其中:硫脲与络合溶液中的金属离子的摩尔比为8:1。
⑹取出样品并用去离子水冲洗干净,即得CdZnS缓冲层薄膜。
上述实施例1~4中,样品是指硫族化合物吸收层薄膜或玻璃。
上述实施例1~4所得的CdZnS缓冲层薄膜可用于制备薄膜太阳能电池。具体方法如下:
先在Mo/CZTSSe/CdS异质结结构上采用射频磁控溅射的方法制备i-ZnO窗口层;然后采用直流磁控溅射的方法制备ITO透明导电层;再采用热蒸发方法制备Al栅格顶电极,即可得到完整的CdZnS/CZTSSe异质结薄膜太阳能电池。
经测试,该太阳能电池转换效率为9.38%,开路电压为405 mV,短路电流密度为35.9 mA/cm2,填充因子为64%。

Claims (7)

1.一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法,包括以下步骤:
⑴先根据CdZnS缓冲层薄膜的导带位置及其禁带宽度确定镉盐和锌盐比例,然后分别配制镉盐水溶液和锌盐水溶液,最后将所述镉盐水溶液与所述锌盐水溶液混合,得到总浓度为0.01~0.5 mol/L的镉盐和锌盐的混合水溶液;
⑵配制浓度为1~5 mol/L的硫脲水溶液;
⑶将所述镉盐和锌盐的混合水溶液置于预先加热至50~80℃的水浴锅中并搅拌5~10min;
⑷在所述步骤⑶的镉盐和锌盐的混合水溶液中加入氨水,使pH值调节至10~12.5,并络合3~10min,得到络合溶液;然后将装有样品的夹具置入其中处理5~20min;
⑸所述络合溶液中加入所述硫脲水溶液,并根据CdZnS缓冲层所需厚度计时3~20min;
⑹取出所述样品并用去离子水冲洗干净,即得CdZnS缓冲层薄膜。
2.如权利要求1所述的一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法,其特征在于:所述步骤⑴中的镉盐是指硫酸盐、氯化盐、碘化盐或醋酸盐中的一种。
3.如权利要求1所述的一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法,其特征在于:所述步骤⑴中的锌盐是指硫酸盐、醋酸盐或氯化盐中的一种。
4.如权利要求1所述的一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法,其特征在于:所述步骤⑶中的样品是指硫族化合物吸收层薄膜或玻璃。
5.如权利要求1所述的一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法,其特征在于:所述步骤⑷中的氨水质量百分比浓度为25%~28%。
6.如权利要求1所述的一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法,其特征在于:所述步骤⑸硫脲与络合溶液中的金属离子的摩尔比为1:1~10:1。
7.如权利要求1所述的一种分步制备CdZnS缓冲层薄膜的方法,其特征在于:所述步骤⑸中CdZnS缓冲层的厚度为10~200 nm。
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