CN115954407B - 增强载流子传输网络的铜锌锡硫薄膜制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强载流子传输网络的铜锌锡硫薄膜制备方法，包括以下步骤：(1)将Cu2O纳米线分散于有机溶液A中；(2)将分散有Cu2O纳米线的有机溶液A加入到铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4，CZTS)的前驱体溶液B中；(3)将掺有Cu2O纳米线的CZTS前驱体溶液旋涂成CZTS预制层薄膜；(4)将CZTS的预制层薄膜进行退火处理。退火过程中Cu2O纳米线会反应形成相对富Cu的CZTS网络通道，提高CZTS薄膜的载流子迁移率。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜制备领域，具体涉及一种增强载流子传输网络的铜锌锡硫薄膜制备方法。
背景技术
铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4，CZTS)作为一种廉价、绿色并且无毒的光吸收材料，在薄膜太阳电池领域具有较高的应用价值。目前基于CZTS薄膜的太阳电池器件的光电转换效率已经突破10％，展现出一定的产业化前景，但是相较于成熟的Si基太阳电池20％的器件效率还是有较大的差距。限制CZTS薄膜太阳电池器件效率的因素有很多，较低的载流子迁移率便是其一。为克服以上问题，本发明利用Cu2O纳米线在CZTS薄膜中构建了一种增强载流子传输网络，以此提高CZTS薄膜中载流子的迁移率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于针对CZTS薄膜中载流子迁移率低的问题，提供一种增强载流子传输网络的CZTS薄膜制备方法，以提高CZTS薄膜中载流子的传输效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下，该方法包括以下步骤：
S1、将Cu2O纳米线分散于有机溶液A中；
S2、将分散有Cu2O纳米线有机溶液A缓慢滴入铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4，CZTS)前驱体溶液B中；
S3、将分散有Cu2O纳米线的CZTS的前驱体溶液B旋涂制备成CZTS预制层薄膜；
S4、将负载有Cu2O纳米线的CZTS预制层薄膜进行退火处理，完成增强载流子传输网络的CZTS薄膜的制备。
作为优选地，所述步骤S1中，Cu2O纳米线的直径为5—50nm，纳米线长度为100nm—1μm。步骤S1中，有机溶液A为甲硫醇、乙二硫醇、1-丙硫醇和正十二硫醇中的一种。步骤S1中，有机溶液A中分散Cu2O纳米线溶度为10-1000mmol/L。
进一步地，所述步骤S2中，溶液B中CZTS前驱体的浓度为1-10mol/L，分散的Cu2O纳米线与CZTS前驱体的物质量比为1:1000-1:100。
进一步地，所述步骤S3中，制备的前驱体溶液B的旋涂条件为：200-1500rpm低转速旋涂5-15s，3000-6000rpm高转速旋涂20-60s。
进一步地，所述步骤S4中，退火气氛为S蒸气，升温程序为10-30min升温到600℃，保温30-60min。
本发明的技术原理如下：
在本发明提供的制备方法中，选用Cu2O纳米线作为网络构建的前驱物原因在于，CZTS薄膜退火过程中，Cu2O会随CZTS预制层薄膜的退火过程而反应演变成相对富Cu的CZTS网络，相对富Cu的CZTS相比较于CZTS薄膜中的其它部分具有较高的载流子迁移率，因此其可以作为CZTS薄膜中载流子收集和高速传输通道，提高CZTS薄膜的电学性能。该方法中Cu2O纳米线的分散比例需要严格控制，比例偏少则纳米线网络构建不完全，载流子传输通道受阻，分散过多则CZTS前驱体溶液的静电平衡容易打破，易造成沉淀。升温过程中需要快速退火，以减少退火过程中相对富Cu离子的迁移，降低相对富Cu的CZTS网络的载流子收集和传输性能。
与现有技术相比，本发明的优点及有益效果如下：
与现有技术相比，本发明在CZTS薄膜中引入相对富Cu的CZTS网络，该网络可以作为载流子的高速传输通道，提高CZTS薄膜中载流子的收集效率和传输性能。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步地详细阐述，但不作为本发明的限定。
实施例1
步骤S1：将直径5nm长100nm的Cu2O纳米线分散于甲硫醇中，制备成1mol/L的乳液A；
步骤S2：将含有Cu2O纳米线的乳液A加入到10mol/L的CZTS前驱体溶液中，控制Cu2O纳米线与CZTS的摩尔比为1/100，完成CZTS前驱体溶液B的制备；
步骤S3：将含有Cu2O纳米线的CZTS前驱体溶液B以1500rpm 5s+4500rpm 20s旋涂至基片上，完成负载Cu2O纳米线的CZTS预制层薄膜的制备；
步骤S4：将负载Cu2O纳米线的CZTS预制层薄膜至于S蒸气氛中退火，10min升温至600℃，保温30min。
实施例2
步骤S1：将直径50nm长1000μm的Cu2O纳米线分散于乙二硫醇中，制备成100mmol/L的乳液A；
步骤S2：将含有Cu2O纳米线的乳液A加入到1mol/L的CZTS前驱体溶液中，控制Cu2O纳米线与CZTS的摩尔比为1/1000，完成CZTS前驱体溶液B的制备；
步骤S3：将含有Cu2O纳米线的CZTS前驱体溶液B以200rpm 15s+3000rpm 45s旋涂至基片上，完成负载Cu2O纳米线的CZTS预制层薄膜的制备；
步骤S4：将负载Cu2O纳米线的CZTS预制层薄膜至于S蒸气氛中退火，15min升温至600℃，保温60min。
实施例3
步骤S1：将直径5nm长800μm的Cu2O纳米线分散于甲硫醇中，制备成10mmol/L的乳液A；
步骤S2：将含有Cu2O纳米线的乳液A加入到5mol/L的CZTS前驱体溶液中，控制Cu2O纳米线与CZTS的摩尔比为5/1000，完成CZTS前驱体溶液B的制备；
步骤S3：将含有Cu2O纳米线的CZTS前驱体溶液B以1000rpm 10s+6000rpm 60s旋涂至基片上，完成负载Cu2O纳米线的CZTS预制层薄膜的制备；
步骤S4：将负载Cu2O纳米线的CZTS预制层薄膜至于S蒸气氛中退火，30min升温至600℃，保温45min。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，制备过程不包括实施例1中步骤S1和步骤S2中制备和添加Cu2O纳米线乳液A步骤。
对比例2
与实施例2的不同之处在于，制备过程不包括实施例1中步骤S1和步骤S2中制备和添加Cu2O纳米线乳液A步骤。
对比例3
与实施例3的不同之处在于，制备过程不包括实施例1中步骤S1和步骤S2中制备和添加Cu2O纳米线乳液A步骤。
应用例
将实施例1-3制备得到的增强载流子传输网络的CZTS薄膜以及对比例1-3制备得到的未作任何修饰的CZTS薄膜进行载流子迁移率测试，并将以上薄膜组装成CZTS薄膜太阳能电池器件进行器件性能的相关测试，测试结果见下表：
表1
由上表可知，
通过对比实施例与相应的对比例，构造了增强载流子传输网络的CZTS薄膜的迁移率普遍升高，虽然略微降低了相应器件的开路电压，但显著提升了相应的器件的短路电流性能，最终导致了器件性能的整体提升。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种增强载流子传输网络的铜锌锡硫薄膜制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将Cu2O纳米线分散于有机溶液A中；步骤S1中，Cu2O纳米线的径长比为1:5—1:100，纳米线长度为100nm—1；有机溶液A为甲硫醇、乙二硫醇、1-丙硫醇和正十二硫醇中的一种；有机溶液A中分散Cu2O纳米线溶度为10-1000 mmol/L；
S2、将分散有Cu2O纳米线有机溶液A缓慢滴入铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4，CZTS）前驱体溶液B中；步骤S2中，分散的Cu2O纳米线与CZTS前驱体的物质量比为1:1000-1:100；
S3、将分散有Cu2O纳米线的CZTS的前驱体溶液B旋涂制备成CZTS预制层薄膜；
S4、将负载有Cu2O纳米线的CZTS预制层薄膜进行退火处理，完成增强载流子传输网络的CZTS薄膜的制备。
2.根据权利要求1所述的增强载流子传输网络的铜锌锡硫薄膜制备方法，其特征在于：
所述步骤S2中，溶液B中CZTS前驱体的浓度为1-10 mol/L。
3.根据权利要求2所述的增强载流子传输网络的铜锌锡硫薄膜制备方法，其特征在于：
所述步骤S3中，制备的前驱体溶液B的旋涂条件为：200-1500 rpm低转速旋涂5-15s，3000-6000rpm高转速旋涂20-60s。
4.根据权利要求3所述的增强载流子传输网络的铜锌锡硫薄膜制备方法，其特征在于：
所述步骤S4中，退火气氛为S蒸气，升温程序为10-30min升温到600℃，保温30-60min。
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