CN1844478A - 一种太阳能电池薄膜材料的电化学沉积制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CuIn (1－x) GaxSe2太阳能电池薄膜材料的电化学沉积制备工艺。以Cu、In、Ga金属盐和亚硒酸为主要原料，溶于醇类或砜类有机试剂中为电解质；以金属钼片或不锈钢片为阴极，铂钛金属网为辅助电极，甘汞饱和电极为对电极；恒电位沉积制备CuIn (1－x) GaxSe2薄膜前驱体；后经清洗、吹干，氩气下的热处理获得CuIn (1－x) GaxSe2薄膜。本发明具有原料利用率高、成本低、工艺控制容易等优点。特别是本发明以醇类、砜类等有机试剂代替水为电解质溶剂，避免了在较负电位下电沉积过程中氢析出对CuIn (1－x) GaxSe2合金元素共沉积的影响。

Description

一种太阳能电池薄膜材料的电化学沉积制备工艺
技术领域
本发明涉及一种薄膜电阳电池光电转换材料，特别是一种CuIn(1-x)GaxSe2太阳能电池薄膜材料的电化学沉积制备工艺。
背景技术
太阳能在环境保护、可持续性发展等方面具有无可替代的优势。近年来，直接带隙材料薄膜太阳电池的开发成为新的研究热点，薄膜太阳电池只需几微米厚就能实现高效率的光电转换，是降低成本及提高光子循环的理想器件。在薄膜太阳电池研究中，CuIn(1-x)GaxSe2薄膜电池因具有成本低(仅为晶体硅太阳电池的1/10)、转换效率高(目前已达到19.3％)、稳定性好等特点而与成为最有希望的薄膜光伏器件之一。然而，CuIn(1-x)GaxSe2产品的开发却面临巨大挑战：生产工艺复杂(需要高真空、高温)，工艺控制困难导致制备的薄膜材料性能差异大、重复性差；此外，由于CuIn(1-x)GaxSe2在较宽的化学计量比(原子比例)范围内都能形成有序陷缺化合物，这虽然有利于初步物相的形成，但却非常不利于物相精确计量比的控制。综上原因，大面积高性能CuIn(1-x)GaxSe2薄膜材料的制备成为难题。目前采用最多的物理气相沉积法在CuIn(1-x)GaxSe2薄膜生长机理研究方面有突出的优势，对薄膜的化学计量比控制也相对直接，但在物理气相沉积法蒸发沉积过程中，伴随着反蒸发过程同时发生，当基板面积增大时，反蒸发作用使各组份的均匀性控制变得非常困难。
发明内容
本发明的目的就是针对上述问题，提供一种CuIn(1-x)GaxSe2太阳能电池薄膜材料的电化学沉积制备工艺。
具体过程如下：将Cu、In、Ga金属盐和亚硒酸分别按元素摩尔浓度为0.01mol/L～0.02mol/L，0.02mol/L～0.03mol/L，0.02mol/L～0.04mol/L，0.01mol/L～0.04mol/L溶于醇类或砜类有机试剂中，并滴加稀硝酸调节PH值至1.5～4，获得电解质溶液；将经超声清洗的钼片或不锈钢片作为工作电极，大面积铂钛网作为辅助电极，甘汞饱和电极为参比电极；恒电位沉积获得CuIn(1-x)GaxSe2前驱体薄膜前驱体；该前驱体薄膜经冲洗，吹干后置入气氛炉中，在氩气保护下，升温至350-450℃热处理，保温30分钟后随炉自然冷却；冷却到低于50℃时，关闭氩气，开炉取样，制得CuIn(1-x)GaxSe2太阳能电池薄膜材料。
与现有物理气相沉积法等工艺相比，电化学制备CuIn(1-x)GaxSe2太阳能电池薄膜具有原料利用率高、成本低、工艺控制容易等优点。特别是本发明以醇类、砜类等有机试剂代替水为电解质溶剂，避免了在较负电位下电沉积过程中氢析出对CuIn(1-x)GaxSe2合金元素共沉积的影响，更有利于获得符合化学计量比的高性能CuIn(1-x)GaxSe2太阳电池薄膜材料。
附图说明
图1为本发明制备工艺流程图。
图2为本发明制备的CuIn(1-x)GaxSe2薄膜XRD物相分析。
图3为本发明制备的CuIn(1-x)GaxSe2薄膜SEM照片。
图4为本发明制备的CuIn(1-x)GaxSe2薄膜EDAX分析。
具体实施方式
实施例1：
以CuCl2，InCl3，GaCl3，H2SeO3为原料，按比例0.012mol/LCuCl2，0.025mol/LInCl3，0.025mol/LGaCl3，0.025mol/LH2SeO3，乙醇为溶剂配制电沉积溶液(电解质溶液)，待溶液中的物质完全溶解后滴加稀硝酸至PH＝1.5，通入氩气30分钟；采用三电极系统，以上述方法制得的溶液为电沉积溶液，铂网为阳极，钼片为阴极，甘汞饱和电极为参比电极，沉积电压为-5.5V(VS.SCE)，沉积时间为10分钟，最后用氩气吹干获得CuIn1-xGaxSe2前驱体薄膜；将上述薄膜放入管式炉中，在氩气保护气氛下，以10℃每分钟的升温速度升温至450℃并保温30分钟，保温结束后切断电源，随炉自然慢冷；冷却到低于50℃时，关闭氩气，开炉取样。样品经XRD分析为CuIn1-xGaxSe2；经SEM分析，薄膜表面平整、无裂纹，晶型发育好，粒径分布较为均匀。
实施例2：
以CuCl2，InCl3，GaCl3，H2SeO3为原料，按比例0.012mol/LCuCl2，0.020mol/LInCl3，0.020mol/LGaCl3，0.025mol/LH2SeO3，二甲基亚砜为溶剂配制电沉积溶液(电解质溶液)，待溶液中的物质完全溶解后滴加稀硝酸至PH＝2，通入氩气30分钟；采用三电极系统，以上述方法制得的溶液为电沉积溶液，铂网为阳极，不锈钢片为阴极，甘汞饱和电极为参比电极，沉积电压为-5.5V(VS.SCE)，沉积时间为10分钟，最后用氩气吹干获得CuIn1-xGaxSe2前驱体薄膜；将上述薄膜放入管式炉中，在氩气保护气氛下，以10℃每分钟的升温速度升温至450℃并保温30分钟，保温结束后切断电源，随炉自然慢冷；冷却到低于50℃时，关闭氩气，开炉取样。样品经XRD分析为CuIn1-xGaxSe2；经SEM分析，薄膜表面平整、无裂纹，晶型发育好，粒径分布较为均匀。

Claims (1)

1.一种太阳能电池薄膜材料的电化学沉积制备工艺，其特征在于：将Cu、In、Ga金属盐和亚硒酸分别按元素摩尔浓度为0.01mol/L～0.02mol/L，0.02mol/L～0.03mol/L，0.02mol/L～0.04mol/L，0.01mol/L～0.04mol/L溶于醇类或砜类有机试剂中，并滴加稀硝酸调节PH值至1.5～4获得电解质溶液；将经超声清洗的钼片或不锈钢片作为工作电极，大面积铂钛网作为辅助电极，甘汞饱和电极为参比电极；恒电位沉积获得CuIn(1-x)GaxSe2前驱体薄膜前驱体；该前驱体薄膜经冲洗，吹干后置入气氛炉中，在氩气保护下，升温至350～450℃热处理，保温30分钟后随炉自然冷却；冷却到低于50℃时，关闭氩气，开炉取样，制得CuIn(1-x)GaxSe2太阳能电池薄膜材料。
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