CN112201725A - 一种硒化锑薄膜太阳能电池的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硒化锑薄膜太阳能电池的制备方法，在摇摆合料炉中合成硒化锑晶体；升华源准备步骤，对合成的硒化锑晶体进行处理得到硒化锑升华源；衬底处理步骤，对FTO衬底进行清洗、氮气吹干、真空干燥；窗口层形成步骤，在FTO衬底上形成硫化镉窗口层；吸收层形成步骤，在硫化镉窗口层上形成硒化锑吸收层；退火步骤，吸收层生长结束后，对样品进行退火；背电极制备步骤，在吸收层上蒸镀背电极。本发明制备的硒化锑薄膜太阳能电池具有制备简单、成本低廉、毒性小、生长速度快、可大面积生长等优点，可用于解决传统太阳能电池成本高、毒性大、易衰退等问题，有助于太阳能电池的商业化推广和应用。

Description

一种硒化锑薄膜太阳能电池的制备方法

技术领域

本发明属于薄膜太阳能电池的制备方法，涉及一种硒化锑薄膜太阳能电池的制备方法。

背景技术

人类对光伏器件的研究和制备起源于1883年，Charles Fritts用金属半导体结成功做出了第一块太阳能电池，自那以后，人类逐渐开始探索研究如何利用光电效应制备光伏器件。到目前为止，太阳能电池已经发展了三代，第三代薄膜太阳能电池由于成本低、制备工艺简单且原材料消耗少，更加节能环保，受到了各界的广泛关注。然而至今投入市场的薄膜太阳能电池或多或少都受到一定的制约。硅基薄膜太阳能电池受到光照时会发生Staebler-Wronski效应(光致衰退效应)导致性能衰退；砷化镓薄膜太阳能电池毒性大且成本十分高昂；铜铟镓硒薄膜太阳能电池原料供应不足、生产温度高、良品率低、生产成本高；碲化镉薄膜太阳能电池受到镉的毒性和碲的储量的制约。

相比之下，硒化锑是一种理想的薄膜太阳能电池材料。它的相对介电常数为15 左右，高于碲化镉的7.1和铜铟镓硒的13.7，高介电常数使得缺陷结合能变小，从而降低缺陷引起的复合损失，有利于太阳能电池器件性能的提升。室温下，其直接带隙为1.17eV，间接带隙为1.03eV，可作为一种理想的太阳能电池材料，根据 Shockley-Queisser的理论计算，硒化锑单结太阳能电池的理论转化效率可以高达30％。此外，由于直接和间接跃迁的差异小，硒化锑的吸收系数也很高，尤其在紫外和可见光区域，它的吸光系数可以超过10⁵cm^-1，较薄的厚度(大约1-2μm)就可吸收充足的太阳光。硒化锑的熔点(608℃)较低，制备时所需的能耗小，而且硒和锑都属于无毒的元素，含量丰富，价格低廉，大大降低了硒化锑的生产成本。硒化锑是一种简单的二元化合物，常温常压下只有一种相，与许多复杂的多元化合物相比，在制备时不存在杂相控制的难题，纯相的制备变得简单。因此，硒化锑薄膜太阳能电池作为新一代化合物半导体薄膜太阳能电池具有非常大的应用潜力，但目前国内外对硒化锑薄膜太阳能电池的制备研究较少，制备的硒化锑薄膜太阳能电池的效率也不高。

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的制备方法，能够克服传统太阳能电池成本高、毒性大、易衰退的缺陷，获得制备成本低、电池毒性小、不易发生光致衰退、电池效率高的硒化锑薄膜太阳能电池。

技术方案

一种硒化锑薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将硒化锑晶体采用玛瑙研钵研成粉末，压制成片作为升华源；将升华源分别放在去离子水、丙酮、乙醇、去离子水中清洗10～20分钟、10～20分钟、10～20 分钟和20～30分钟，然后用氮气吹干，放入真空干燥箱干燥30～40分钟；

步骤2：将FTO衬底分别放在去离子水、丙酮、乙醇、去离子水中清洗10～20分钟、10～20分钟、10～20分钟和20～30分钟，然后用氮气吹干，放入真空干燥箱干燥 30～40分钟；

步骤3：将处理后的FTO衬底垂直放入混合溶液中，在水浴温度为70～90℃，沉积时间为30～60分钟后得到硫化镉薄膜后取出，再用去离子水洗去硫化镉薄膜表面的残留络合物后用氮气吹干，放入真空干燥箱干燥30～40分钟；

所述混合溶液为：摩尔比为1︰2.5︰2.5的硫酸镉盐、氨水和硫脲；

步骤4、吸收层形成：将升华源置于生长腔室的下托盘，沉积了硫化镉薄膜的FTO衬底置于生长腔室的上托盘，二者之间的距离为3～5mm；合上炉腔抽真空，并充入氩气洗气去除残余的空气；控制炉内气压低于5Pa，将硒化锑升华源温度加热到400℃～550℃，衬底温度加热到200℃～300℃，生长300～3600秒得到硒化锑薄膜；

生长结束后，将硒化锑升华源温度以25～30℃/min的速度降到80～100℃，衬底温度以10～15℃/min的速度降到60～80℃，然后自然冷却到室温；

步骤5、退火：将硒化锑薄膜在300℃～400℃的温度下真空退火或真空硒化退火 1～5小时，10～15℃/min的速度降到60～80℃，然后自然冷却到室温；

步骤6、背电极制备：在退火后的硒化锑薄膜上采用真空蒸镀法蒸镀金电极，制成硒化锑薄膜太阳能电池。

所述硒化锑晶体纯度为99.99％，晶体粉末的粒径小于300目。

所述步骤3的混合溶液的PH值为10～12。

所述步骤3的混合溶液的PH值为11。

所述步骤3的硫化镉薄膜的沉积水浴温度为90℃，沉积时间为40分钟。

有益效果

本发明提出的一种硒化锑薄膜太阳能电池的制备方法，电池包括依次层叠的衬底、窗口层、硒化锑薄膜和金属背电极。制备硒化锑薄膜太阳能电池的方法主要包括以下步骤：合料步骤，在摇摆合料炉中合成硒化锑晶体；升华源准备步骤，对合成的硒化锑晶体进行处理得到硒化锑升华源；衬底处理步骤，对FTO衬底进行清洗、氮气吹干、真空干燥；窗口层形成步骤，在FTO衬底上形成硫化镉窗口层；吸收层形成步骤，在硫化镉窗口层上形成硒化锑吸收层；退火步骤，吸收层生长结束后，对样品进行退火；背电极制备步骤，在吸收层上蒸镀背电极。本发明制备的硒化锑薄膜太阳能电池具有制备简单、成本低廉、毒性小、生长速度快、可大面积生长等优点，可用于解决传统太阳能电池成本高、毒性大、易衰退等问题，有助于太阳能电池的商业化推广和应用。

本发明制备的硒化锑薄膜的禁带宽度为1.14～1.20eV，择优取向为(2 2 1)衍射峰。能够克服传统太阳能电池成本高、毒性大、易衰退的缺陷，获得制备成本低、电池毒性小、不易发生光致衰退、电池效率高的硒化锑薄膜太阳能电池。

附图说明

图1是本发明制备的硒化锑薄膜太阳能电池结构示意图。

图2是本发明在不同实施方式下得到的太阳能电池I-V图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的硒化锑薄膜太阳能电池的制备方法，首先通过摇摆合料炉合成硒化锑晶体；其次将合成的硒化锑晶体研成粉末，把符合粒径要求的粉末用压片机压制成片、清洗、氮气吹干、真空干燥以作为升华源使用；接着将FTO衬底进行清洗、氮气吹干和真空干燥；随后将FTO衬底垂直放入配备好的碱性混合溶液中，在衬底上沉积得到硫化镉窗口层；然后将硒化锑升华源和沉积了硫化镉薄膜的FTO衬底放入生长腔室，调整好二者之间的距离，关闭炉门，对生长腔室抽真空并保持真空度，在设定温度下生长一段时间后得到硒化锑薄膜，再缓慢降温、自然冷却；而后将得到的硒化锑薄膜在硒气氛下退火；最后在硒化锑薄膜表面蒸镀金电极，得到硒化锑薄膜太阳能电池。

具体实施实例1：

(1)将原料放入摇摆合料炉中，保持650℃混合24小时得到纯度为99.99％的硒化锑晶体。

(2)将合成的硒化锑晶体用玛瑙研钵研成粉末，选用300目筛网筛选出符合粒径要求的粉末，用压片机压制成直径15mm的圆片作为升华源，将升华源分别放在去离子水、丙酮、乙醇、去离子水中清洗20分钟、20分钟、20分钟和30分钟，然后用氮气吹干，放入真空干燥箱干燥30分钟。

(3)将FTO衬底分别放在去离子水、丙酮、乙醇、去离子水中清洗20分钟、20分钟、20分钟和30分钟，然后用氮气吹干，放入真空干燥箱干燥30分钟。

(4)按照1：2.5：2.5的摩尔比计算出所需硫酸镉样品、硫酸铵样品及硫脲样品的质量，再用分析天平分别称量出所需样品的质量，将其分别配制成55ml的溶液，再将三种溶液混合在一起。将装有混合溶液的烧杯中放入磁子，烧杯放在磁力搅拌机中常温搅拌20分钟，使混合溶液混合均匀。在混合溶液中加入氨水，不断搅拌，直至调节溶液的PH值为11，PH由PH计测得。将装有上述混合溶液的烧杯放入提前预热到90℃的水浴磁力搅拌器中，并开始计时，10分钟后，将清洗干净的FTO衬底垂直放置于溶液中。计时40分钟，这个时间既是反应时间，也是硫化镉薄膜的生长时间。沉积过程要始终保持均匀搅拌。沉积结束后取出样品，用去离子水洗去硫化镉薄膜表面的残留络合物，再用氮气吹干，放入真空干燥箱干燥30分钟。

(5)从真空干燥箱中将升华源和沉积了硫化镉薄膜的FTO衬底取出，分别放入生长腔室的下托盘和上托盘，调整好二者之间的距离，合上炉腔抽真空，并充入氩气洗气去除残余的空气。控制炉内气压为4.5Pa且生长过程一直保持腔室内气压。将硒化锑升华源温度加热到500℃，衬底温度加热到250℃，生长600秒得到硒化锑薄膜。生长结束后，将硒化锑升华源温度以25～30℃/min的速度降到100℃，衬底温度以10～15℃ /min的速度降到80℃，然后自然冷却到室温。

(6)将硒化锑薄膜在360℃的温度下真空硒化退火1小时，再以10～15℃/min的速度降到80℃，然后自然冷却到室温。

(7)用真空蒸镀法在真空硒化退火后的硒化锑薄膜上蒸镀金电极。

(8)得到硒化锑薄膜太阳能电池S_250-500。

具体实施实例2：

本实施例采用与实施例1相似的方法进行，所不同的是，本实施例的步骤(5)为：

从真空干燥箱中将升华源和沉积了硫化镉薄膜的FTO衬底取出，分别放入生长腔室的下托盘和上托盘，调整好二者之间的距离，合上炉腔抽真空，并充入氩气洗气去除残余的空气。控制炉内气压为4.5Pa且生长过程一直保持腔室内气压。将硒化锑升华源温度加热到450℃，衬底温度加热到300℃，生长3600秒得到硒化锑薄膜。生长结束后，将硒化锑升华源温度以25～30℃/min的速度降到100℃，衬底温度以10～15℃ /min的速度降到80℃，然后自然冷却到室温。

得到硒化锑薄膜太阳能电池S_300-450。

具体实施实例3：

本实施例采用与实施例1相似的方法进行，所不同的是，本实施例的步骤(5)为：

从真空干燥箱中将升华源和沉积了硫化镉薄膜的FTO衬底取出，分别放入生长腔室的下托盘和上托盘，调整好二者之间的距离，合上炉腔抽真空，并充入氩气洗气去除残余的空气。控制炉内气压为4.5Pa且生长过程一直保持腔室内气压。将硒化锑升华源温度加热到500℃，衬底温度加热到300℃，生长600秒得到硒化锑薄膜。生长结束后，将硒化锑升华源温度以25～30℃/min的速度降到100℃，衬底温度以10～15℃/min 的速度降到80℃，然后自然冷却到室温。

得到硒化锑薄膜太阳能电池S_300-500。

测试例：

本测试用于测试前述实施例和对比例制备得到的电池的性能。具体地：

在测量标准条件下，电池性能测试采用参数为AM2.5、100mW/cm²的太阳光模拟器在25℃下进行I-V测试来获得硒化锑薄膜太阳能电池的主要参数。

结果如表1和图2所示。

表1：

电池编号	开路电压/V	短路电/mA/cm<sup>2</sup>	填充因子	电池效率/％
					S<sub>250-500</sub>	0.358	22.95	51.28	4.22
S<sub>300-450</sub>	0.297	21.80	49.58	3.21
					S<sub>300-500</sub>	0.354	19.60	51.82	3.60

通过上述测试例的结果可以看出，本发明提供的硒化锑薄膜太阳能电池具有制备简单、毒性小、效率较高的优点。

Claims (5)

1.一种硒化锑薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将硒化锑晶体采用玛瑙研钵研成粉末，压制成片作为升华源；将升华源分别放在去离子水、丙酮、乙醇、去离子水中清洗10～20分钟、10～20分钟、10～20分钟和20～30分钟，然后用氮气吹干，放入真空干燥箱干燥30～40分钟；

步骤2：将FTO衬底分别放在去离子水、丙酮、乙醇、去离子水中清洗10～20分钟、10～20分钟、10～20分钟和20～30分钟，然后用氮气吹干，放入真空干燥箱干燥30～40分钟；

步骤3：将处理后的FTO衬底垂直放入混合溶液中，在水浴温度为70～90℃，沉积时间为30～60分钟后得到硫化镉薄膜后取出，再用去离子水洗去硫化镉薄膜表面的残留络合物后用氮气吹干，放入真空干燥箱干燥30～40分钟；

所述混合溶液为：摩尔比为1︰2.5︰2.5的硫酸镉盐、氨水和硫脲；

步骤4、吸收层形成：将升华源置于生长腔室的下托盘，沉积了硫化镉薄膜的FTO衬底置于生长腔室的上托盘，二者之间的距离为3～5mm；合上炉腔抽真空，并充入氩气洗气去除残余的空气；控制炉内气压低于5Pa，将硒化锑升华源温度加热到400℃～550℃，衬底温度加热到200℃～300℃，生长300～3600秒得到硒化锑薄膜；

生长结束后，将硒化锑升华源温度以25～30℃/min的速度降到80～100℃，衬底温度以10～15℃/min的速度降到60～80℃，然后自然冷却到室温；

步骤5、退火：将硒化锑薄膜在300℃～400℃的温度下真空退火或真空硒化退火1～5小时，10～15℃/min的速度降到60～80℃，然后自然冷却到室温；

步骤6、背电极制备：在退火后的硒化锑薄膜上采用真空蒸镀法蒸镀金电极，制成硒化锑薄膜太阳能电池。

2.根据权利要求1所述硒化锑薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述硒化锑晶体纯度为99.99％，晶体粉末的粒径小于300目。

3.根据权利要求1所述硒化锑薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤3的混合溶液的PH值为10～12。

4.根据权利要求1或3所述硒化锑薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤3的混合溶液的PH值为11。

5.根据权利要求1所述硒化锑薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤3的硫化镉薄膜的沉积水浴温度为90℃，沉积时间为40分钟。

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