CN110534591A - 一种硒化锑薄膜太阳能电池及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硒化锑薄膜太阳能电池及制备方法，包括从上至下依次排列的电极、硒化锑吸光层、N型缓冲层、透明导电金属氧化物层、玻璃基底；其中N型缓冲层为ZnO薄膜。制备方法采用磁控溅射法沉积ZnO薄膜，近空间升华法沉积Sb2Se3薄膜，并进行热处理，利于减少界面处的缺陷，实现光生载流子的分离，并减少了太阳能电池中有毒元素的使用，利于提高光电转换效率，其制备工艺简单，适于工业化生产与应用。有益效果是：该方法实现了无毒N型缓冲层的制备与硒化锑层的大规模生产，具有广阔的光伏应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光电子材料与器件领域，涉及一种硒化锑薄膜太阳能电池及制备方法。
背景技术
二十一世纪以来，能源短缺与环境污染一直是全球的两大难题。近年来，薄膜太阳能电池凭借其制备方法简单、可柔性应用等优点而迅速发展，特别是化合物半导体薄膜电池，成为光伏研究的热点之一。目前主流的化合物半导体薄膜电池主要有铜铟镓硒(CIGS)和碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池，但这两种电池中含有资源稀缺的元素铟(In)和剧毒元素镉(Cd)，且制备工艺复杂，所以大范围的商业化应用受到了限制。
硒化锑作为一种二元化合物，物相单一稳定，元素储量丰富，毒性很小，价格便宜，且禁带宽度合适(直接带隙1.17eV左右)，吸光系数大，是一种理想的光伏材料。目前，研究人员已通过热蒸发、磁控溅射、溶液法等多种手段制备了硒化锑薄膜及其器件。
目前已有的硒化锑薄膜太阳能电池主要使用热蒸发法沉积硒化锑薄膜，制作的电池结构为：Glass/FTO或ITO/CdS/Sb2Se3/Au，以CdS为N型缓冲层，但是这种电池含有剧毒元素Cd，且CdS与Sb2Se3之间的晶格失配度较大，这样容易在界面造成严重的界面缺陷，不利于实现光生载流子电荷的分离，难以提升硒化锑薄膜太阳能电池的效率。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种硒化锑薄膜太阳能电池及制备方法，实现硒化锑薄膜太阳能电池的绿色环保、无毒无害，且减少P-N层之间的晶格失配度，同时适用于工业化生产。
技术方案
一种硒化锑薄膜太阳能电池，其特征在于包括依次排列的电极、硒化锑吸光层、N型缓冲层、透明导电氧化物层和玻璃基底；所述N型缓冲层为ZnO薄膜，厚度为60-100nm；所述电极采用金电极，厚度为80-100nm；所述硒化锑吸光层的厚度为800-1000nm；所述透明导电金属氧化物层的厚度为150-200nm。
所述透明导电金属氧化物层为ITO或FTO层。
一种基于磁控溅射与近空间升华方法制备所述硒化锑薄膜太阳能电池的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用表面镀覆有ITO或FTO层的玻璃基底，依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗表面镀有透明导电金属氧化物层的玻璃基底，清洗完毕后用氮气吹干；所述玻璃基底上的透明导电金属氧化物层的厚度为150-200nm；
步骤2：采用磁控溅射法在透明导电氧化物层上表面沉积N型缓冲层ZnO薄膜，使得ZnO薄膜的厚度为60-100nm；
步骤3：采用近空间升华法在N型缓冲层薄膜上表面上生长硒化锑吸光层，使得硒化锑吸光层的厚度为800-1000nm；
步骤4：采用真空蒸镀法在硒化锑吸光层上表面镀覆电极，使得电极厚度为80-100nm。
所述采用磁控溅射法在透明导电氧化物层上表面沉积N型缓冲层ZnO薄膜的工艺为：将表面镀覆有ITO或FTO层的玻璃基底固定在样品台上，放入真空腔室中，ITO或FTO层与磁控溅射靶材相对；腔室真空度达到2×10-4～5×10-4Pa后，加热样品台到100～400℃，采用纯度为4N的ZnO靶材，在纯Ar的气氛中保持在0.1-5Pa压强下进行溅射，根据ZnO薄膜的厚度选择时间范围为5～20min，在腔室温度降为常温时在ITO或FTO层上得到ZnO薄膜。
所述采用近空间升华法沉积硒化锑吸光层的工艺为：1、在近空间升华炉的生长炉腔室下加热台安置AlN陶瓷片，将硒化锑生长源放在AlN陶瓷片上，在生长炉腔室上加热台安置石墨掩膜版，将步骤2完成的磁控溅射的玻璃基底放在石墨掩膜版上，玻璃基底上ZnO薄膜与硒化锑生长源相对；调整生长源与衬底之间距离为5-10mm，密闭生长炉腔室；2、将生长炉腔室抽真空至5～10Pa，通入50～100Pa高纯Ar后，再抽真空至5～10Pa，经3-5次如上操作以去除生长炉腔室内残余空气，最终将生长炉腔室气压稳定在5～7Pa；3、将硒化锑生长源和覆有ZnO薄膜的玻璃基底加热至100～200℃，保温300～500S，保温期间，将生长炉室抽真空至5～7Pa，保温结束后，将生长源温度升温至400-550℃，基底温度升温至200-300℃，生长时间为10min-120min；2、生长结束后，随炉冷却降至室温，在ZnO薄膜上得到厚度为800-1000nm的硒化锑吸光层。
对N型缓冲层或硒化锑层进行热处理。
所述热处理为：将具有N型缓冲层的玻璃基底或具有硒化锑层的玻璃基底放入退火炉中，置于空气气氛中，以0.5～1℃/s升温至300～500℃，保温10～20min，随炉冷却到室温。
有益效果
本发明提出的一种硒化锑薄膜太阳能电池及制备方法，包括从上至下依次排列的电极、硒化锑吸光层、N型缓冲层、透明导电金属氧化物层、玻璃基底；其中N型缓冲层为ZnO薄膜。制备方法采用磁控溅射法沉积ZnO薄膜，近空间升华法沉积Sb2Se3薄膜，并进行热处理，利于减少界面处的缺陷，实现光生载流子的分离，并减少了太阳能电池中有毒元素的使用，利于提高光电转换效率，其制备工艺简单，适于工业化生产与应用。
有益效果是：该方法实现了无毒N型缓冲层的制备与硒化锑层的大规模生产，具有广阔的光伏应用前景。
附图说明
图1：本发明的硒化锑薄膜太阳能电池的结构
图2：本实施例的硒化锑薄膜太阳能电池的结构
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明的硒化锑薄膜太阳能电池包括从上至下依次排列的电极、硒化锑吸光层、N型缓冲层、透明导电金属氧化物层、玻璃基底；其中N型缓冲层为ZnO薄膜。
依次排列的电极、硒化锑吸光层、N型缓冲层、透明导电氧化物层和玻璃基底；所述N型缓冲层为ZnO薄膜，厚度为80nm；所述电极采用金电极，厚度为80nm；所述硒化锑吸光层的厚度为800-1000nm；所述透明导电金属氧化物层的厚度为150-200nm。
实施例1：其具体制备步骤如下：
清洗衬底：
本实施例采用表面镀覆有ITO或FTO层的玻璃衬底，所述玻璃基底上的ITO或FTO层厚度为150-200nm。
采用超声清洗法，按照如下步骤在常温条件下超声清洗带有ITO或FTO层的玻璃基底，每一步15min：丙酮，无水乙醇，去离子水。清洗完毕后，用氮气吹干。
沉积N型缓冲层：
采用磁控溅射法沉积N型缓冲层-ZnO层。将上述玻璃衬底/ITO或FTO透明导电氧化物固定在样品台上，放入真空腔室中，腔室真空度达到2×10-4Pa后，加热样品台到100℃。采用纯度为4N的ZnO靶材，在纯Ar的气氛中保持在0.1-5Pa压强下进行溅射5min，然后在腔室温度降为常温后，取出样片。ZnO薄膜厚度为60nm。
准备硒化锑生长源：
在电子天平上称量1-5g的硒化锑(Sb2Se3)粉末，倒入特定的模具中，再将其放入压片机，在12.5MPa的压力下压制80s，获得直径为20mm的硒化锑压片。
沉积硒化锑吸光层：
采用近空间升华法沉积硒化锑吸光层：
(1)打开近空间升华炉炉门，在生长炉腔室下加热台安置AlN陶瓷片，将准备好的硒化锑生长源放在AlN陶瓷片上，在生长炉腔室上加热台安置石墨掩膜版，将上述玻璃衬底/ITO或FTO/ZnO放在石墨掩膜版上，调整生长源与衬底之间距离为5-10mm，密闭生长炉腔室。
(2)将生长炉腔室抽真空至10Pa，通入100Pa高纯Ar后，再抽真空至10Pa，经3-5次如上操作以去除生长炉腔室内残余空气，最终将生长炉腔室气压稳定在5Pa。
(3)将硒化锑生长源和玻璃/FTO/ZnO加热至200℃，保温300S，保温期间，将生长炉室抽真空至5Pa，保温结束后，将生长源温度升温至400-550℃，基底温度升温至200-300℃，生长时间为10min-120min。
(4)生长结束后，随炉冷却降至室温，取出样品。
对N型缓冲层或者硒化锑吸光层热处理：
蒸镀金电极：
使用真空蒸镀机，通过专用掩膜版在硒化锑表面蒸镀金电极，电极厚度为80-100nm。
实施例2：参考图2，本实施例的硒化锑薄膜太阳能电池包括从上至下依次排列的电极厚度为90nm的电极、900nm厚度的硒化锑吸光层、厚度约为80nm的N型缓冲层、导电金属氧化物层、玻璃基底；其中N型缓冲层为ZnO薄膜。
其具体制备步骤如下：
清洗衬底：
本实施例采用表面镀覆有FTO层的玻璃衬底，所述玻璃基底上的ITO或FTO层厚度为150-200nm。
采用超声清洗法，按照如下步骤在常温条件下超声清洗带有FTO层的玻璃基底，每一步15min：丙酮，无水乙醇，去离子水。清洗完毕后，用氮气吹干。
沉积N型缓冲层：
采用磁控溅射法沉积N型缓冲层-ZnO层。将上述玻璃衬底/FTO透明导电氧化物固定在样品台上，放入真空腔室中，腔室真空度达到2×10-4Pa后，加热样品台到200℃。采用纯度为4N的ZnO靶材，在纯Ar气氛中保持在1Pa压强下进行溅射10min，然后在腔室降为常温后，取出样片。其薄膜厚度约为80nm。
准备硒化锑生长源：
在电子天平上称量3g的硒化锑(Sb2Se3)Sb2Se3粉末，倒入特定的模具中，再将其放入压片机，在12.5MPa的压力下压制80s，获得直径为20mm的硒化锑压片。
沉积硒化锑吸光层：
采用近空间升华法沉积硒化锑吸光层：
(1)打开近空间升华炉炉门，在生长炉腔室下加热台安置AlN陶瓷片，将准备好的硒化锑生长源放在AlN陶瓷片上，在生长炉腔室上加热台安置石墨掩膜版，将上述玻璃衬底/FTO/ZnO放在石墨掩膜版上，调整生长源与衬底之间距离为10mm，密闭生长炉腔室。
(2)将生长炉腔室抽真空至10Pa，通入100Pa高纯Ar后，再抽真空至10Pa，经3-5次如上操作以去除生长炉腔室内残余空气，最终将生长炉腔室气压稳定在5Pa。
(3)将硒化锑生长源和玻璃/FTO/ZnO加热至200℃，保温300S，保温期间，将生长炉室抽真空至5Pa，保温结束后，将生长源温度升温至475℃，基底温度升温至250℃，生长时间为45min。
(4)生长结束后，随炉冷却降至室温，取出样品，得到厚度为900nm厚度的硒化锑薄膜；
蒸镀金电极：
使用真空蒸镀机，通过专用掩膜版在硒化锑表面蒸镀金电极，电极厚度为80nm。
实施例3：
如图2所示，本实施例的硒化锑薄膜太阳能电池包括从上至下依次排列的厚度为100nm电极、800nm厚度的硒化锑吸光层、厚度约为100nm的N型缓冲层、透明导电金属氧化物层、玻璃基底；其中N型缓冲层为ZnO薄膜。
其具体制备步骤如下：
清洗衬底
本实施例采用表面镀覆有FTO层的玻璃衬底，所述玻璃基底上的ITO或FTO层厚度为150-200nm。
采用超声清洗法，按照如下步骤在常温条件下超声清洗带有FTO层的玻璃基底，每一步15min：丙酮，无水乙醇，去离子水。清洗完毕后，用氮气吹干。
沉积N型缓冲层
采用磁控溅射法沉积N型缓冲层-ZnO层。将上述玻璃衬底/FTO透明导电氧化物层固定在样品台上，放入真空腔室中，腔室真空度达到2×10-4Pa后，加热样品台到400℃。采用纯度为4N的ZnO靶材，在Ar与O2的气氛中保持在1Pa压强下进行溅射20min，然后在腔室降为常温后，取出样片。其薄膜厚度约为100nm。
ZnO热处理
将玻璃衬底/FTO/ZnO放入退火炉中，置于空气气氛中，以1℃/min升温至400℃，保温10min，随炉冷却到室温，然后取出样片。
准备硒化锑生长源
在电子天平上称量3g的硒化锑(Sb2Se3)粉末，倒入特定的模具中，再将其放入压片机，在12.5MPa的压力下压制80s，获得直径为20mm的硒化锑压片。
沉积硒化锑吸光层：
采用近空间升华法沉积硒化锑吸光层：
(1)打开近空间升华炉炉门，在生长炉腔室下加热台安置AlN陶瓷片，将准备好的硒化锑生长源放在AlN陶瓷片上，在生长炉腔室上加热台安置石墨掩膜版，将上述玻璃衬底/FTO/ZnO放在石墨掩膜版上，调整生长源与衬底之间距离为10mm，密闭生长炉腔室。
(2)将生长炉腔室抽真空至10Pa,通入100Pa高纯Ar后，再抽真空至10Pa，经3-5次如上操作以去除生长炉腔室内残余空气，最终将生长炉腔室气压稳定在5Pa。
(3)将硒化锑生长源和玻璃/FTO/ZnO加热至200℃，保温300S，保温器件，将生长炉室抽真空至5Pa，保温结束后，将生长源温度升温至450℃，基底温度升温至250℃，生长时间为90min。
(4)生长结束后，随炉冷却降至室温，取出样品，得到800nm厚度的硒化锑薄膜。
蒸镀金电极：
使用真空蒸镀机，通过专用的掩膜版在硒化锑表面蒸镀金电极，电极厚度为100nm。
Claims (7)
1.一种硒化锑薄膜太阳能电池，其特征在于包括依次排列的电极、硒化锑吸光层、N型缓冲层、透明导电氧化物层和玻璃基底；所述N型缓冲层为ZnO薄膜，厚度为60-100nm；所述电极采用金电极，厚度为80-100nm；所述硒化锑吸光层的厚度为800-1000nm；所述透明导电金属氧化物层的厚度为150-200nm。
2.根据权利要求1所述硒化锑薄膜太阳能电池，其特征在于：所述透明导电金属氧化物层为ITO或FTO层。
3.一种基于磁控溅射与近空间升华方法制备权利要求1或2所述硒化锑薄膜太阳能电池的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用表面镀覆有ITO或FTO层的玻璃基底，依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗表面镀有透明导电金属氧化物层的玻璃基底，清洗完毕后用氮气吹干；所述玻璃基底上的透明导电金属氧化物层的厚度为150-200nm；
步骤2：采用磁控溅射法在透明导电氧化物层上表面沉积N型缓冲层ZnO薄膜，使得ZnO薄膜的厚度为60-100nm；
步骤3：采用近空间升华法在N型缓冲层薄膜上表面上生长硒化锑吸光层，使得硒化锑吸光层的厚度为800-1000nm；
步骤4：采用真空蒸镀法在硒化锑吸光层上表面镀覆电极，使得电极厚度为80-100nm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述采用磁控溅射法在透明导电氧化物层上表面沉积N型缓冲层ZnO薄膜的工艺为：将表面镀覆有ITO或FTO层的玻璃基底固定在样品台上，放入真空腔室中，ITO或FTO层与磁控溅射靶材相对；腔室真空度达到2×10-4～5×10-4Pa后，加热样品台到100～400℃，采用纯度为4N的ZnO靶材，在纯Ar的气氛中保持在0.1-5Pa压强下进行溅射，根据ZnO薄膜的厚度选择时间范围为5～20min，在腔室温度降为常温时在ITO或FTO层上得到ZnO薄膜。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述采用近空间升华法沉积硒化锑吸光层的工艺为：1、在近空间升华炉的生长炉腔室下加热台安置AlN陶瓷片，将硒化锑生长源放在AlN陶瓷片上，在生长炉腔室上加热台安置石墨掩膜版，将步骤2完成的磁控溅射的玻璃基底放在石墨掩膜版上，玻璃基底上ZnO薄膜与硒化锑生长源相对；调整生长源与衬底之间距离为5-10mm，密闭生长炉腔室；2、将生长炉腔室抽真空至5～10Pa，通入50～100Pa高纯Ar后，再抽真空至5～10Pa，经3-5次如上操作以去除生长炉腔室内残余空气，最终将生长炉腔室气压稳定在5～7Pa；3、将硒化锑生长源和覆有ZnO薄膜的玻璃基底加热至100～200℃，保温300～500S，保温期间，将生长炉室抽真空至5～7Pa，保温结束后，将生长源温度升温至400-550℃，基底温度升温至200-300℃，生长时间为10min-120min；2、生长结束后，随炉冷却降至室温，在ZnO薄膜上得到厚度为800-1000nm的硒化锑吸光层。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：对N型缓冲层或硒化锑层进行热处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述热处理为：将具有N型缓冲层的玻璃基底或具有硒化锑层的玻璃基底放入退火炉中，置于空气气氛中，以0.5～1℃/s升温至300～500℃，保温10～20min，随炉冷却到室温。
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