Czts薄膜太阳电池吸收层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于薄膜太阳电池制作技术领域，特别是涉及一种CZTS薄膜太阳电池吸收层的制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来薄膜太阳电池，尤其是CIGS薄膜太阳电池发展迅速。目前，CIGS薄膜太阳电池的实验室转化效率已达到20.4%，其产业化进程也被不断加快。但CIGS薄膜太阳电池吸收层中关键元素In、Ga储量有限，价格相对较高，限制了 CIGS薄膜太阳电池大规模产业化发展。CZTS (铜锌锡硫(硒)，即Cu2ZnSn (S，Se) 4)薄膜与CIGS薄膜具有相似的光电特性，且CZTS薄膜以储量丰富、价格较低的Zn、Sn元素替代CIGS薄膜中的In、Ga，进一步降低了薄膜制备的成本，适合于大规模的产业化生产。因此，以CZTS薄膜为吸收层的薄膜太阳电池研究成为焦点，CZTS薄膜太阳电池的实验室转化效率已超过11%。
[0003]目前公知的制备CZTS薄膜太阳电池吸收层的方法主要包括:在钠钙玻璃衬底上先制备一层含Cu、Zn、Sn的前驱物，然后再进行后硒化、退火处理得到CZTS薄膜太阳电池吸收层，该方法由于后硒化、退火处理的难度较大，反应过程不易控制，制作过程复杂、可重复性差，制成的薄膜太阳电池质量比功率低，由于无法弯曲，缩小了电池的使用范围，而且难以形成CZTS薄膜太阳电池的产业化生产。
【发明内容】
[0004]本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种制作过程简单、可重复性高，制成的薄膜太阳电池质量轻、结晶质量高、均匀性好、质量比功率高，电池可以弯曲，使用范围广，利于实现产业化生产的CZTS薄膜太阳电池吸收层的制备方法。
[0005]本发明包括如下技术方案:
[0006]CZTS薄膜太阳电池吸收层的制备方法，其特点是:包括以下制备步骤:
[0007]步骤1:将柔性衬底镀有膜的一面朝下固定在真空蒸发腔室顶壁上旋转轴下面的样品架下面，柔性衬底下方置有可移动的衬底挡板；样品架的上面固定一个热电偶，热电偶的上方的旋转轴上有衬底加热器；Cu蒸发源、Zn蒸发源、NaF蒸发源、Sn蒸发源和Se蒸发源分别置于真空蒸发腔室内角度和高度均可调节的五个蒸发源底座中，其中Cu蒸发源、Zn蒸发源、NaF蒸发、Sn蒸发源的顶端到衬底底部中心的距离< 30cm，Se蒸发源的顶端到衬底底部中心的距离< 1cm ；
[0008]步骤2:用抽真空系统对真空蒸发腔室抽真空至5X 10_4Pa，由所述热电偶控制温度，加热衬底至450-550°C ；由真空蒸发腔室外面的PID控制器控制各蒸发源加热器的温度，加热Cu蒸发源至1200-1300°C、Zn蒸发源至420-500°C，Sn蒸发源至230-300°C，Se蒸发源至220-30(TC，NaF蒸发源至500-60(TC ;打开柔性衬底下方的衬底挡板,柔性衬底下面共蒸发Cu、Zn、Sn、Se、NaF,共蒸发时间20-30min,形成富铜CZTS薄膜；
[0009]步骤3:关闭柔性衬底下方的衬底挡板，保持衬底温度、Zn、Sn、Se蒸发源蒸发温度不变；Cu和NaF蒸发源以10-30°C /min的速率降温；20min后打开衬底挡板，柔性衬底下面共蒸发Zn、Sn和Se, 5-10min关闭衬底挡板；Sn、Se蒸发源蒸发温度不变，Zn蒸发源以10-300C /min的速率降温；20min后打开衬底挡板，衬底在Sn、Se气氛中以10_30°C /min的速率降温；待柔性衬底温度低于250°C时，关闭衬底加热器及各蒸发源加热器，柔性衬底上形成作为CZTS薄膜太阳电池吸收层的Cu2ZnSnSe4薄膜制作过程。
[0010]本发明还可以采用如下技术措施:
[0011]所述样品架由多根横竖排列的可拆装不锈钢条十字交叉构成。
[0012]所述衬底加热器为蛇形盘绕成的炉丝。
[0013]本发明具有的优点和积极效果:
[0014]1.本发明以柔性PI为衬底，采用共蒸发法，通过控制铜Cu、锌Zn、锡Sn、硒Se蒸发源的蒸发温度、时间、顺序等进而控制反应路径和成分组成，避免了后硒化、退火处理过程，制出的CZTS薄膜吸收层结晶质量高、均匀性好，制作过程简单，可重复性高，利于CZTS薄膜太阳电池的产业化；
[0015]2.本发明通过在沉积过程中蒸发NaF，Na原子通过扩散分布于CZTS薄膜中，改善了吸收层的电学性能，有助于CZTS薄膜太阳电池转换效率的提高；
[0016]3.本发明采用了角度、高度均可改变的固定各蒸发源的楔形不锈钢底座，保证了多种尺寸衬底上制作CZTS薄膜吸收层的均匀性。
【附图说明】
[0017]图1是本发明制备CZTS薄膜太阳电池吸收层用蒸发装置侧视示意图。
[0018]图中，1-真空蒸发腔室，2-衬底加热器，3-柔性衬底,4-样品架，5-Cu蒸发源，6_Zn蒸发源，7-NaF蒸发源，8-Sn蒸发源，9_Se蒸发源，10-衬底挡板，11_热电偶，12-蒸发源底座，13-旋转轴。
【具体实施方式】
[0019]为能进一步公开本发明的
【发明内容】
、特点及功效，特例举以下实例并结合附图进行详细说明如下:
[0020]CZTS薄膜太阳电池吸收层的制备方法，其特点是:包括以下制备步骤:
[0021]步骤1:将柔性衬底镀有膜的一面朝下固定在真空蒸发腔室顶壁上旋转轴下面的样品架下面，柔性衬底下方置有可移动的衬底挡板；样品架的上面固定一个热电偶，热电偶的上方的旋转轴上有衬底加热器；Cu蒸发源、Zn蒸发源、NaF蒸发源、Sn蒸发源和Se蒸发源分别置于真空蒸发腔室内角度和高度均可调节的五个楔型蒸发源底座中，其中Cu蒸发源、Zn蒸发源、NaF蒸发、Sn蒸发源的顶端到衬底底部中心的距离< 30cm，Se蒸发源的顶端到衬底底部中心的距离< 1cm;
[0022]步骤2:用抽真空系统对真空蒸发腔室抽真空至5X 10_4Pa，由所述热电偶控制温度，加热衬底至450-550°C ；由真空蒸发腔室外面的PID控制器控制各蒸发源加热器的温度，加热Cu蒸发源至1200-1300°C、Zn蒸发源至420-500°C，Sn蒸发源至230-300°C，Se蒸发源至220-30(TC，NaF蒸发源至500-60(TC ;打开柔性衬底下方的衬底挡板,柔性衬底下面共蒸发Cu、Zn、Sn、Se、NaF,共蒸发时间20-30min,形成富铜CZTS薄膜；
[0023]步骤3:关闭柔性衬底下方的衬底挡板，保持衬底温度、Zn、Sn、Se蒸发源蒸发温度不变；Cu和NaF蒸发源以10-30°C /min的速率降温；20min后打开衬底挡板，柔性衬底下面共蒸发Zn、Sn和Se, 5-10min关闭衬底挡板；Sn、Se蒸发源蒸发温度不变，Zn蒸发源以10-300C /min的速率降温；20min后打开衬底挡板，衬底在Sn、Se气氛中以10_30°C /min的速率降温；待柔性衬底温度低于250°C时，关闭衬底加热器及各蒸发源加热器，柔性衬底上形成贫铜Cu2ZnSnSe4薄膜作为CZTS薄膜太阳电池吸收层。
[0024]所述样品架由多根横竖排列的可拆装不锈钢条十字交叉构成。