CN204676153U - 一种铜锌锡硫薄膜的沉积装置 - Google Patents

一种铜锌锡硫薄膜的沉积装置 Download PDF

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莫德云
邵乐喜
廖峻
何伟坚
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Abstract

本实用新型属于太阳能电池制备技术领域，具体公开了一种铜锌锡硫薄膜的沉积装置，该装置是基于脉冲光化学的方法设计得到，包括源溶液供应装置、溶液混合装置、光化学反应装置和脉冲紫外光光源系统，所述脉冲紫外光光源系统位于光化学反应装置的上端；将沉积薄膜所需的溶液在溶液混合装置里进行混合，混合溶液进入光化学反应装置，脉冲紫外光的照射下即可在衬底上沉积铜锌锡硫薄膜。

Description

一种铜锌锡硫薄膜的沉积装置
技术领域
本实用新型涉及太阳能电池制备技术领域，更具体地，涉及一种铜锌锡硫薄膜的沉积装置。
背景技术
四元化合物铜锌锡硫（CZTS）不仅具有较高的光吸收系数(> 104 cm-1)和与太阳能电池所需要的最佳禁带宽度相匹配的禁带宽度（约为1.50 eV），而且其组成元素在地壳中储存量丰富、毒性低，被认为是一种绿色、廉价、适合大规模生产的太阳能电池吸收层材料。
关于CZTS的研究已经有40多年的历史，1967年，Nitsche等成功地通过气相碘运输法制得单晶Cu2ZnSnS4。随后Nitsche又研究并报告了Cu2-II-IV-S4(Se4)系列单晶的结构属性；1997年，日本的Katagiri小组制备了第一个效率为0.66%的CZTS薄膜太阳能电池，开辟了CZTS在太阳能电池上的广泛研究；同年，Friedlmeier采用真空蒸发制备了CZTS薄膜，并制作了一个效率为2.3%的CZTS/CdS/ITO异质结；2010年，美国IBM公司的Todorow等人采用水合肼作为溶剂制备CZTS薄膜太阳能电池的转化率提高到了9.7%；最近他们进一步优化了CZTS硒化制备薄膜太阳能电池，其效率提高到了12.7%。虽然对于CZTS的研究取得一定的进步，但是CZTS太阳能电池的整体太阳能转化率还需要进一步的提高，而且在现有CZTS薄膜的制备工艺中均存在实验条件比较苛刻、原材料有毒、设备和材料成本昂贵等缺陷，同时，虽然也有一些制备CZTS薄膜的装置，但这些装置均需要高温、高压或点击等装置，使得装置本身设备复杂、成本高且存在安全隐患。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术所存在的上述缺陷，提供一种铜锌锡硫薄膜的沉积装置。
本实用新型的目的是通过以下技术方案予以实现的：
一种铜锌锡硫薄膜的沉积装置，包括源溶液供应装置、溶液混合装置、光化学反应装置和脉冲紫外光光源系统，所述脉冲紫外光光源系统位于光化学反应装置的上端。
现有关于铜锌锡硫薄膜的制备有很多方法，如磁控溅射法、真空共同蒸发法、水热合成法或电化学法等，这些方法不是在高温下进行，就需要电、磁、或高压的条件，使得实验条件较为苛刻，本发明所述沉积装置是本发明申请人基于常温常压（约为28℃）下紫外光照射可分解硫代硫酸根离子（S2O3 2-）来提供硫源的原理设计得到。
优选地，本发明所述沉积装置是配合脉冲光化学法制备铜锌锡硫薄膜使用的。在脉冲光化学法制备铜锌锡硫薄膜中，CuSO4、ZnSO4、SnSO4等含有金属离子的溶液用来来提供金属离子，EDTA为络合剂调控金属离子的浓度，Na2S2O3（或(NH4)2S2O3）为硫源，稀H2SO4调节溶液的PH值。将这些溶液混合，并在常温常压且紫外光的照射下即可在衬底上沉积铜锌锡硫薄膜。
本发明所述沉积装置的工作原理如下：源溶液供应装置用于盛放反应所需的源溶液，源溶液进入溶液混合装置进行混合，混合后的溶液进入光化学反应装置，此时将清洗干净的衬底置于混合溶液中，并保持衬底离混合溶液的液面的距离保持在2～5mm，打开位于光化学反应装置上端的脉冲紫外光光源系统，采用脉冲紫外光光源系统照射衬底即可在衬底上沉积铜锌锡硫薄膜。
申请人通过前期研究发现，连续紫外光虽然也可以沉积铜锌锡硫薄膜，但是，沉积得到的薄膜没有通过脉冲紫外光照射沉积得到的铜锌锡硫薄膜性能好，因此，本实用新型选用脉冲紫外光光照系统。
优选地，所述源溶液供应装置设有盛放源溶液的相互独立的容器。
优选地，所述源溶液供应装置、与溶液混合装置之间、溶液混合装置与光化学反应装置之间分别设有蠕动泵和蠕动泵；其中，蠕动泵控制每个源溶液的流量从而控制混合溶液的浓度比；蠕动泵用于将溶液混合装置中的混合溶液泵入光化学反应装置，从而使得整个薄膜的沉积过程可控。
优选地，所述光化学反应装置外设有使光化学反应装置中的溶液返回至溶液混合装置的液体回流装置。该液体回流装置使得沉积过程中过剩的溶液返回至溶液混合装置中循环利用，从而实现了源溶液供应装置中各个溶液的不断混合，不断循环，从而保证衬底上薄膜的连续生长，也能达到薄膜生长速度可控的目的。
为了满足沉积过程中对混合溶液的pH和温度的监控，优选地，所述溶液混合装置还设有pH传感器和温度传感器。
优选地，本发明所述脉冲紫外光光源系统包括低压汞灯组和脉冲紫外光控制系统；所述汞灯的波长为254nm，该低压汞灯能提供均匀平行的光场，该脉冲紫外光光源的功率为50～500MW/cm2。
优选地，所述光化学反应装置中设有支架。
优选地，所述溶液混合装置内设有搅拌装置。
由于铜锌锡硫薄膜只在紫外光照射的区域沉积，因此，很容易控制薄膜的制备。
为了达到通过控制光斑的位置和形状来控制薄膜形状的目的，优选地，本发明所述光化学反应装置包括底壁和侧壁，所述侧壁的上端设有挡板，该挡板可以挡住部分紫外光从而实现沉积的薄膜性状可控。
优选地，所述挡板与侧壁上端铰接。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型提供了一种铜锌锡硫薄膜的沉积装置，该装置是基于脉冲光化学的方法设计得到，包括源溶液供应装置、溶液混合装置、光化学反应装置和脉冲紫外光光源系统，所述脉冲紫外光光源系统位于光化学反应装置的上端；将沉积薄膜所需的溶液在溶液混合装置里进行混合，混合溶液进入光化学反应装置，脉冲紫外光的照射下即可在衬底上沉积铜锌锡硫薄膜。
附图说明
图1为沉积装置的整体示意图。
图2为脉冲紫外光光源系统的结构图。
图3为光化学反应装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1～3所示，本实用新型提供了一种铜锌锡硫薄膜的沉积装置，包括源溶液供应装置1、溶液混合装置3、光化学反应装置4和脉冲紫外光光源系统7，所述脉冲紫外光光源系统7位于光化学反应装置4的上端。
本实施例中，所述源溶液供应装置1设有盛放源溶液的相互独立的容器，如111，112，113，114，115或116，具体地，该容器的数量由反应所需溶液的种类决定。
本实施例中，所述源溶液供应装置1、与溶液混合装置3之间、溶液混合装置3与光化学反应装置4之间分别设有蠕动泵2和蠕动泵6；其中，蠕动泵2控制每个源溶液的流量从而控制混合溶液的浓度比；蠕动泵6用于将溶液混合装置3中的混合溶液泵入光化学反应装置4，从而使得整个薄膜的沉积过程可控。
本实施例中，所述光化学反应装置4外设有使光化学反应装置4中的溶液返回至溶液混合装置3的液体回流装置。该液体回流装置使得沉积过程中过剩的溶液返回至溶液混合装置3中循环利用；具体地，本实施所述液体回流装置包括液体管路和连在液体管路上的蠕动泵9。
为了满足沉积过程中对混合溶液的pH和温度的监控，本实施例中，所述溶液混合装置3还设有pH传感器32和温度传感器33。
本实施例中所述脉冲紫外光光源系统7包括低压汞灯组71和脉冲紫外光控制系统71；所述汞灯的波长为254nm，该低压汞灯能提供均匀平行的光场，该脉冲紫外光光源的功率为50～500MW/cm2；具体地，所述低压汞灯组71和脉冲紫外光控制系统71均为现有技术中存在的装置。
本实施例中，所述光化学反应装置4中设有支架8，用于支撑衬底；所述溶液混合装置3内设有搅拌装置31，用于将溶液进行均匀混合。
为了达到通过控制光斑的位置和形状来控制薄膜形状的目的，本实施例中所述光化学反应装置4包括底壁和侧壁，所述侧壁的上端设有挡板10，该挡板10可以挡住部分紫外光从而实现沉积的薄膜性状可控；具体地，所述挡板10与侧壁上端铰接。
实施例2
    衬底选用玻璃基片，使用实施例1所述装置沉积薄膜过程如下：
    1、衬底11选用普通玻璃，依次经丙酮、乙醇和去离子水浸泡、超声波清洗，用压缩空气吹干。
    2、将浓度为0.4×10-3mol/L的CuSO4溶液，1.25×10-3mol/L的ZnSO4溶液，0.6×10-3mol/L的SnSO4溶液，1.0×10-4mol/L的EDTA溶液，浓度为5.0×10-2mol/L的Na2S2O3溶液（或（NH4）2S2O3溶液）和5%（v/v）稀H2SO4溶液分别盛放于源溶液供应装置1的六个容器（111，112，113，114，115，116）中。
    3、打开蠕动泵2使六种溶液缓慢流进溶液混合装置3。
    4、设定搅拌机31的转速为1200rpm，使六种溶液充分混合。
    5、观察PH值传感器32的示数，及时调节稀H2SO4溶液的流量，使溶液混合装置3中混合溶液的PH值保持为3.5。
    6、打开蠕动泵6使混合溶液缓慢输入光化学反应装置4。
    7、将清洗干净的玻璃片（约10cm×10cm）浸渍于光化学反应装置4中的混合溶液里，调节蠕动泵2和蠕动泵6的流量确保液面与衬底11之间的距离保持在2～5mm。
    8、将脉冲紫外光光源系统7的245nm低压汞灯组71功率设为350MW/cm2，用汞灯组产生平行均匀的脉冲紫外光照射玻璃基片，照射时间为20min，从而沉积CZTS薄膜。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铜锌锡硫薄膜的沉积装置，其特征在于，包括源溶液供应装置（1）、溶液混合装置（3）、光化学反应装置（4）和脉冲紫外光光源系统（7），所述脉冲紫外光光源系统（7）位于光化学反应装置（4）的上端。
2. 根据权利要求1所述的沉积装置，其特征在于，所述源溶液供应装置（1）设有盛放源溶液的相互独立的容器（111，112，113，114，115，116）。
3. 根据权利要求2所述的沉积装置，其特征在于，所述源溶液供应装置（1）、与溶液混合装置（3）之间、溶液混合装置（3）与光化学反应装置（4）之间分别设有蠕动泵（2）和蠕动泵（6）。
4. 根据权利要求3所述的沉积装置，其特征在于，所述光化学反应装置（4）外设有使光化学反应装置（4）中的溶液返回至溶液混合装置（3）的液体回流装置。
5. 根据权利要求1所述的沉积装置，其特征在于，所述溶液混合装置（3）还设有pH传感器（32）和温度传感器（33）。
6. 根据权利要求1所述的沉积装置，其特征在于，所述脉冲紫外光光源系统（7）包括低压汞灯组（71）和脉冲紫外光控制系统（72）。
7. 根据权利要求1至6任一项所述的沉积装置，其特征在于，所述光化学反应装置（4）中设有支架（8）。
8. 根据权利要求1至6任一项所述的沉积装置，其特征在于，所述溶液混合装置（3）内设有搅拌装置（31）。
9. 根据权利要求1至6任一项所述的沉积装置，其特征在于，所述光化学反应装置（4）包括底壁和侧壁，所述侧壁的上端设有挡板（10）。
10. 根据权利要求9所述的沉积装置，其特征在于，所述挡板（10）与侧壁上端铰接。
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