CN110581073B - 一种多层膜合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法 - Google Patents

一种多层膜合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多层膜扩散合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法，包括以下步骤：A)在太阳能电池的电子传输层表面沉积金属锑膜；B)在金属锑膜表面沉积硒薄膜或二硫化硒薄膜，得到复合薄膜；C)在所述复合薄膜表面覆盖衬底后，在保护气氛条件下，在垂直于复合薄膜的方向施加压力并进行热处理，得到太阳能电池吸收层。本发明提供的方法简单，得到的吸收层材料具有组分可控的优势，并且无杂相、结晶性好。

Description

一种多层膜合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒 化锑的方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种多层膜合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法。
背景技术
随着科技生产力的不断进步，人类社会对能源的需求不断扩大。一大批科学研究者正热切地寻求可再生能源或清洁能源来代替补充传统的一次性能源如煤炭、石油等。太阳能作为一种清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭，探索利用太阳能被认为是解决能源危机和缓解环境压力最有效的途径之一。因而，研发高效且稳定的太阳能电池便成为了科研工作者的奋斗目标。现今太阳能电池种类繁多，其中锑基(硒化锑、硫化锑、硫硒化锑)薄膜太阳能电池因其理论转换效率高、成本低廉、稳定性好、无毒而被认为极具潜力。
目前制备锑基太阳能电池的方法有很多，比如旋涂法、水热法、热蒸法、水浴沉积等。其中在真空法中，所得吸收层薄膜具有结晶性好，物相纯等优势，但是却由于硫、硒等元素易于流失而导致薄膜组分难以控制。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种多层膜合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法，本发明提供的方法简单，得到的吸收层材料具有组分可控的优势，并且无杂相、结晶性好。
本发明提供了一种多层膜扩散合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法，包括以下步骤：
A)在太阳能电池的电子传输层表面沉积金属锑膜；
B)在金属锑膜表面沉积硒薄膜或二硫化硒薄膜，得到复合薄膜；
C)在所述复合薄膜表面覆盖衬底后，在保护气氛条件下，在垂直于复合薄膜的方向施加压力并进行热处理，得到太阳能电池吸收层。
本发明还提供了一种多层膜扩散合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法，包括以下步骤：
a)在太阳能电池的电子传输层表面沉积金属锑膜；
b)在衬底表面沉积硒薄膜或二硫化硒薄膜；
c)将金属锑膜和硒薄膜相对叠加，或者将金属锑膜和二硫化硒薄膜相对叠加，得到叠加膜；
d)在垂直于所述叠加膜的方向施加压力并置于保护气氛条件下进行热处理，得到太阳能电池吸收层。
优选的，所述电子传输层为二氧化钛电子传输层、硫化镉电子传输层或者二氧化钛/硫化镉双电子传输层中的一种。
优选的，所述沉积金属锑膜的方法为真空沉积，所述真空沉积选自分子束外延或热蒸发法，所述金属锑膜的沉积厚度为30～90nm。
优选的，所述沉积硒薄膜或者二硫化硒薄膜的方式包括真空法或旋涂法，所述真空法包括分子束外延或热蒸发法。
优选的，所述硒薄膜或者二硫化硒薄膜的沉积厚度为45～180nm。
优选的，所述保护气氛条件选自氮气或氩气。
优选的，所述热处理的方法为：先升温至100～150℃，保温20～40min，再升温至300～350℃退火2～10min，然后自然冷却。
优选的，所述衬底为玻璃衬底。
优选的，所述施加压力的方法为采用夹具进行施压。
与现有技术相比，本发明提供了一种多层膜扩散合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法，包括以下步骤：A)在太阳能电池的电子传输层表面沉积金属锑膜；B)在金属锑膜表面沉积硒薄膜或二硫化硒薄膜，得到复合薄膜；C)在所述复合薄膜表面覆盖衬底后，在保护气氛条件下，在垂直于复合薄膜的方向施加压力并进行热处理，得到太阳能电池吸收层。
本发明采用多层膜扩散合金的方式制备硒化锑/硫硒化锑吸收层材料。在本发明中采用了真空蒸镀的方式蒸镀锑膜(硒膜)，对于单质而言，不存在分解和控制组份的问题，而对于溶液法旋涂的非金属元素层来说，也不存在这个问题，故在本法中通过控制前驱膜厚度来控制薄膜组份。而从相关的XRD和SEM图中可知制备的薄膜保持了真空法拥有的较好的结晶性同时也保持了物相的纯净。本发明采用多层膜扩散合金的方式制备硒化锑/硫硒化锑吸收层材料，相较于直接真空法蒸镀化合物，有组分可控的优势。而相较于传统溶液法，本法制备的薄膜具有无杂相、结晶性好的优势。
附图说明
图1为在电子传输层表面沉积锑膜的示意图；
图2为在锑膜表面沉积硒薄膜的结构示意图；
图3为放入管式炉内两个衬底位置的示意图；
图4为本发明提供的多层膜扩散合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法的工艺流程示意图；
图5为实施例1所得硒化锑薄膜的SEM图；
图6为实施例1所得硒化锑薄膜的XRD图。
具体实施方式
本发明提供了一种多层膜扩散合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法，包括以下步骤：
A)在太阳能电池的电子传输层表面沉积金属锑膜；
B)在金属锑膜表面沉积硒薄膜或二硫化硒薄膜，得到复合薄膜；
C)在所述复合薄膜表面覆盖衬底后，在保护气氛条件下，在垂直于复合薄膜的方向施加压力并进行热处理，得到太阳能电池吸收层。
本发明首先在太阳能电池的电子传输层表面沉积金属锑膜。形成导电玻璃/电子传输层/锑膜的结构。其中，所述太阳能电池的电子传输层为二氧化钛电子传输层、硫化镉电子传输层或者二氧化钛/硫化镉双电子传输层中的一种。在沉积之前，对电子传输层表面进行清洁。本发明对所述清洁方式没有特殊限制，可以用氮气枪吹净。
在本发明中，采用真空沉积的方法沉积金属锑膜。所述真空沉积选自分子束外延或热蒸发法，所述金属锑膜的沉积厚度为30～90nm，优选为40～80nm，进一步优选为50～70nm。
参见图1，图1为在电子传输层表面沉积锑膜的示意图。
接着，在金属锑膜表面沉积硒薄膜或二硫化硒薄膜，得到复合薄膜。
所述沉积硒薄膜或者二硫化硒薄膜的方式包括真空法或旋涂法，所述真空法包括分子束外延或热蒸发法。
所述旋涂法操作时配置硒或者二硫化硒的溶液，其中，溶剂选自二硫化碳，浓度为0.01～0.05M，优选为0.02～0.04M。旋涂的次数为5～10次，转速2000～4000rpm，转时20～40s。
得到的硒薄膜或者二硫化硒薄膜的沉积厚度为45～180nm，优选为50～160nm，进一步优选为70～140nm。
参见图2，图2为在锑膜表面沉积硒薄膜的结构示意图。
在所述复合薄膜表面覆盖衬底，所述衬底为玻璃衬底。形成导电玻璃/电子传输层/锑膜/硒薄膜(或二硫化硒薄膜)/玻璃衬底的复合结构。
然后，在保护气氛条件下，在垂直于复合薄膜的方向施加压力，其中，所述保护气氛条件选自氮气或氩气。对于施加压力的方法并没有特殊限制，可以使用夹具实现薄膜夹紧。
接着，进行热处理。所述热处理的方法为：先升温至100～150℃，优选为110～140℃，保温20～40min，优选为25～35min；再升温至300～350℃，优选为310～340℃，退火2～10min，优选为4～8min，然后自然冷却。
参见图3，图3为放入管式炉内两个衬底位置的示意图。
所得吸收层表面用二硫化碳清洗，具体步骤为使用转速2000～6000rpm，时间20～40s的参数旋涂二硫化碳溶液3次以上或者在二硫化碳溶液中浸泡3次，每次5～10s，自然晾干。
本发明还提供了一种多层膜扩散合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法，包括以下步骤：
a)在太阳能电池的电子传输层表面沉积金属锑膜；
b)在衬底表面沉积硒薄膜或二硫化硒薄膜；
c)将金属锑膜和硒薄膜相对叠加，或者将金属锑膜和二硫化硒相对叠加，得到叠加膜；
d)在垂直于所述叠加膜的方向施加压力并置于保护气氛条件下进行热处理，得到太阳能电池吸收层。
本发明在太阳能电池的电子传输层表面沉积金属锑膜。形成导电玻璃/电子传输层/锑膜的结构。其中，所述太阳能电池的电子传输层为二氧化钛电子传输层、硫化镉电子传输层或者二氧化钛/硫化镉双电子传输层中的一种。在沉积之前，对电子传输层表面进行清洁。本发明对所述清洁方式没有特殊限制，可以用氮气枪吹净。
在本发明中，采用真空沉积的方法沉积金属锑膜。所述真空沉积选自分子束外延或热蒸发法，所述金属锑膜的沉积厚度为30～90nm，优选为40～80nm，进一步优选为50～70nm。
本发明还在衬底表面沉积硒薄膜或二硫化硒薄膜。其中，所述衬底优选为玻璃衬底。
所述沉积硒薄膜或者二硫化硒薄膜的方式包括真空法或旋涂法，所述真空法包括分子束外延或热蒸发法。
所述旋涂法操作时配置硒或者二硫化硒的溶液，其中，溶剂选自二硫化碳，浓度为0.01～0.05M，优选为0.02～0.04M。旋涂的次数为5～10次，转速2000～4000rpm，转时20～40s。
得到的硒薄膜或者二硫化硒薄膜的沉积厚度为45～180nm，优选为50～160nm，进一步优选为70～140nm。
在本发明中，对于步骤a)与步骤b)的制备顺序没有特殊限制。
然后，将金属锑膜和硒薄膜相对叠加，或者将金属锑膜和二硫化硒薄膜相对叠加，得到叠加膜。形成导电玻璃/电子传输层/锑膜/硒薄膜(或二硫化硒薄膜)/玻璃衬底的复合结构。
然后在垂直于所述叠加膜的方向施加压力并置于保护气氛条件下进行热处理，得到太阳能电池吸收层。
其中，所述保护气氛条件选自氮气或氩气。对于施加压力的方法并没有特殊限制，可以使用夹具实现薄膜夹紧。
接着，进行热处理。所述热处理的方法为：先升温至100～150℃，优选为110～140℃，保温20～40min，优选为25～35min；再升温至300～350℃，优选为310～340℃，退火2～10min，优选为4～8min，然后自然冷却。
所得吸收层表面用二硫化碳清洗，具体步骤为使用转速2000～6000rpm，时间20～40s的参数旋涂二硫化碳溶液3次以上或者在二硫化碳溶液中浸泡3次，每次5～10s，自然晾干。
参见图4，图4为本发明提供的多层膜扩散合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法的工艺流程示意图。
本发明利用真空法以及旋涂法在相同衬底或不同衬底沉积两层薄膜，将上述两层薄膜在上下衬底施加一定压力的情况下热处理，使其两层薄膜通过热扩散以及相互反应，从而得到相应的硒化锑或硫硒化锑薄膜。
本发明采用多层膜扩散合金的方式制备硒化锑/硫硒化锑吸收层材料。在本发明中采用了真空蒸镀的方式蒸镀锑膜(硒膜)，对于单质而言，不存在分解和控制组份的问题，而对于溶液法旋涂的非金属元素层来说，也不存在这个问题，故在本法中通过控制前驱膜厚度来控制薄膜组份。而从相关的XRD和SEM图中可知制备的薄膜保持了蒸空法拥有的较好的结晶性同时也保持了物相的纯净。本发明采用多层膜扩散合金的方式制备硒化锑/硫硒化锑吸收层材料，相较于直接真空法蒸镀化合物，有组分可控的优势。而相较于传统溶液法，本法制备的薄膜具有无杂相、结晶性好的优势。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的多层膜合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
以下实施实例中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。所述FTO玻璃均采购于优选科技有限公司，相关药品均采购于国药集团化学试剂有限公司。
实施例1
1)在FTO玻璃上制备二氧化钛电子传输层。具体方法为：将2mL乙醇+26μL1 M盐酸+140μL钛酸四异丙酯涂覆于FTO玻璃表面，旋涂参数为2000rpm，40s，然后550℃退火50min，并将得到的二氧化钛表面吹净。
2)将二氧化钛衬底和玻璃衬底送入MBE(分子束外延)样品仓内，并将MBE内部气压抽至1×10-4Pa以下，然后将二氧化钛衬底送至沉积室，以0.1～0.3nm/s的速度沉积30nm锑薄膜，再将沉积完的锑膜送回样品仓并将玻璃衬底送入沉积室，以0.1～0.4m/s的速度沉积50nm硒薄膜。从MBE取出锑膜与硒膜。
3)将步骤2)中得到的锑膜与硒膜相对合并，并用铁制夹子夹紧置入管式炉中载氮气热处理，先升温至150℃保温30min，再升温至300℃退火2min，然后自然冷却。
4)将步骤3)中得到的硒化锑薄膜表面使用二硫化碳旋涂3次，转速3000rpm，时间30s，并自然干燥。
参见图5和图6，图5为实施例1所得硒化锑薄膜的SEM图；图6为实施例1所得硒化锑薄膜的XRD图。从XRD和SEM图中可知制备的薄膜保持了真空法拥有的较好的结晶性同时也保持了物相的纯净。
实施例2
1)在FTO玻璃上制备二氧化钛电子传输层。具体方法为：将2mL乙醇+26μL1 M盐酸+140μL钛酸四异丙酯混合后涂覆于FTO玻璃表面，旋涂参数为2000r，40s，然后550℃退火50min。并将得到的二氧化钛表面吹净。
2)将二氧化钛衬底送入MBE(分子束外延)样品仓内，并将MBE内部气压抽至1×10- 4Pa以下，然后将二氧化钛衬底送至沉积室，以0.1～0.3nm/s的速度沉积30nm锑薄膜，再在得到的锑膜表面以0.1～0.4m/s的速度沉积50nm硒薄膜。从MBE取出锑/硒膜。
3)将步骤2)中得到的锑/硒膜用洁净玻璃衬底覆盖，并用铁制夹子夹紧置入管式炉中载氮气热处理，先升温至150℃保温30min，再升温至300℃退火2min，然后自然冷却。
4)将步骤3)中得到的硒化锑薄膜表面使用二硫化碳旋涂3次，转速3000rpm，时间30s，并自然干燥。
实施例3
1)在FTO玻璃上制备硫化镉电子传输层。具体方法为：依次将以下水溶液混合：10mL15 mM硝酸镉、13mL浓氨水、6.4mL1.5 M硫脲、70mL水；将洗净的FTO玻璃浸入该溶液进行65℃水浴生长，时长15min。然后将得到的硫化镉使用水、乙醇清洗并吹干并110℃干燥10min，最后将该硫化镉在空气下400℃退火10min即可。将所得的硫化镉薄膜吹净。
2)将硫化镉衬底送入MBE(分子束外延)样品仓内，并将MBE内部气压抽至1×10-4Pa以下，然后将硫化镉衬底送至沉积室，以0.1～0.3nm/s的速度沉积90nm锑薄膜，再在得到的锑膜表面以0.1～0.4m/s的速度沉积135nm硒薄膜。从MBE取出锑/硒膜。
3)将步骤2)中得到的锑/硒膜用洁净玻璃衬底覆盖，并用铁制夹子夹紧置入管式炉中载氮气热处理，先升温至150℃保温30min，再升温至300℃退火2min，然后自然冷却。
4)将步骤3)中得到的硒化锑薄膜表面使用二硫化碳旋涂3次，转速3000rpm，时间30s，并自然干燥。
实施例4
1)在FTO玻璃上制备二氧化钛电子传输层。具体方法为：将2mL乙醇+26μL1 M盐酸+140μL钛酸四异丙酯混合后涂覆于FTO玻璃表面，旋涂参数为2000rpm，40，然后550℃退火50min。并将得到的二氧化钛表面吹净。
2)将二氧化钛衬底送入MBE(分子束外延)样品仓内，并将MBE内部气压抽至1×10- 4Pa以下，然后将二氧化钛衬底送至沉积室，以0.1～0.3nm/s的速度沉积30nm锑薄膜。从MBE取出锑膜。
3)配制0.05M二硫化硒的二硫化碳溶液，并使用该溶液在步骤2)所得锑膜表面旋涂10次，每次转速3000rpm，时间30s，自然晾干。
4)将步骤3)中得到的锑/二硫化硒膜用洁净玻璃衬底覆盖，并用铁制夹子夹紧置入管式炉中载氮气热处理，先升温至150℃保温30min，再升温至300℃退火2min，然后自然冷却。
5)将步骤3)中得到的硫硒化锑薄膜表面使用二硫化碳旋涂3次，转速3000rpm，时间30s，并自然干燥。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多层膜扩散合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)在太阳能电池的电子传输层表面沉积金属锑膜；
B)在金属锑膜表面沉积硒薄膜或二硫化硒薄膜，得到复合薄膜；
C)在所述复合薄膜表面覆盖衬底后，在保护气氛条件下，在垂直于复合薄膜的方向施加压力并进行热处理，得到太阳能电池吸收层；
所述硒薄膜或者二硫化硒薄膜的沉积厚度为45～180nm；
所述热处理的方法为：先升温至100～150℃，保温20～40min，再升温至300～350℃退火2～10min，然后自然冷却。
2.一种多层膜扩散合金化制备太阳能电池吸收层材料硒化锑/硫硒化锑的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在太阳能电池的电子传输层表面沉积金属锑膜；
b)在衬底表面沉积硒薄膜或二硫化硒薄膜；
c)将金属锑膜和硒薄膜相对叠加，或者将金属锑膜和二硫化硒薄膜相对叠加，得到叠加膜；
d)在垂直于所述叠加膜的方向施加压力并置于保护气氛条件下进行热处理，得到太阳能电池吸收层；
所述硒薄膜或者二硫化硒薄膜的沉积厚度为45～180nm；
所述热处理的方法为：先升温至100～150℃，保温20～40min，再升温至300～350℃退火2～10min，然后自然冷却。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电子传输层为二氧化钛电子传输层、硫化镉电子传输层或者二氧化钛/硫化镉双电子传输层中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述沉积金属锑膜的方法为真空沉积，所述真空沉积选自分子束外延或热蒸发法，所述金属锑膜的沉积厚度为30～90nm。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述沉积硒薄膜或者二硫化硒薄膜的方式包括真空法或旋涂法，所述真空法包括分子束外延或热蒸发法。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述保护气氛条件选自氮气或氩气。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述衬底为玻璃衬底。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述施加压力的方法为采用夹具进行施压。
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