一种柔性CZTSSe薄膜太阳能电池内应力的改进方法及应用

本发明涉及太阳能电池领域，具体涉及一种柔性cztsse薄膜太阳能电池内应力的改进方法。

背景技术：

1、作为新能源之一的太阳能，由于其储量大、无污染、分布范围广等特点，成为替代传统能源的一个最优选择之一。随着传统能源带来的温室效应、水污染、土壤污染等一系列污染的加剧，人们开始降低传统能源在日常和工业生产生活所占的比例。在新时代中国的双碳目标中要求2030年前二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和。这一切都表明太阳能等新能源拥有一个光明的未来，拥有巨大的发展潜力。

2、太阳能的利用主要是以光伏和光热为主，光伏是以太阳能电池为主。如今，太阳能电池的发展已由刚性衬底开始向柔性衬底发展，此举可以使得太阳能电池用于弯曲的物品上，能够拓展太阳能电池的应用范围。其中，柔性铜锌锡硫硒(cu2znsn(s,se)4,cztsse)薄膜太阳电池因具有组成元素丰富、无毒、光吸收系数高、光学带隙合适、理论光电转换效率高和稳定性好等优点，成为人们研究的焦点。

3、对于柔性铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池的发展，cztsse吸收层存在的残余应力是其显著的问题之一，残余应力主要分为热应力和内应力。热应力是由于材料之间存在热膨胀系数差异，在后续的退火过程材料之间产生应力，导致电池出现开裂、脱落的情况，严重影响电池的性能，好在通过添加适当的热膨胀系数材料，可以做到有效控制热应力的产生。内应力是由于晶体内部存在着缺陷导致的如界面复合、空位、snzn和cuzn反结构缺陷等。前期人们通过等价掺杂如ag取代cu、cd取代zn，有效的减少了晶体缺陷数，提高了电池的结晶质量和开路电压。然而人们对于异价掺杂的研究却不多见。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种柔性cztsse薄膜太阳能电池内应力的改进方法，具体地提出了ga3+异价掺杂cztsse吸收层的方法，通过ga部分取代sn的方式来抑制晶体缺陷的产生，从而减小cztsse的内应力，最终提高电池的光电性能。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种柔性cztsse薄膜太阳能电池内应力的改进方法，在制备cztsse薄膜太阳能电池吸收层时，将ga3+异价掺杂进入吸收层中，形成cztgsse吸收层。

3、其中，在利用溶液旋涂法制备czts前驱体溶液时，通过向溶液中添加gacl3的方式进行ga3+的异价掺杂，添加的gacl3的浓度为0.1-0.42mol/l。优选地，gacl3的添加浓度为0.28mol/l。

4、本发明还提供了一种柔性cztgsse薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，包括如下步骤：

5、(1)制备cztgs前驱体溶液：将gacl3、cu(ch3coo)2·h2o、zn(ch3coo)2·2h2o、sncl2·2h2o和ch4n2s溶于二甲基甲酰胺(dmf,ar)中得到前驱体溶液；

6、(2)制备cztgs金属预制层：将步骤(1)得到的cztgs前驱体溶液滴在mo层上进行旋转涂覆，旋转涂覆结束后在热台上进行预热，重复旋涂和预热的步骤，最终得到cztgs金属预制层；

7、(3)制备cztgsse吸收层：对步骤(2)得到的czts金属预制层进行硒化退火，最终得到cztgsse吸收层。

8、其中，步骤(1)中cu(ch3coo)2·h2o、zn(ch3coo)2·2h2o、sncl2·2h2o、ch4n2s和二甲基甲酰胺的摩尔比为(0.035-0.039)：(0.024-0.028)：(0.024-0.028)：(0.199-0.203)：(0.8-1.2)，gacl3的掺杂浓度为0.1-0.42mol/l。

9、步骤(2)中cztgs前驱体溶液每次在mo层上旋转涂覆的转速为4500-5500r/min，时间为18-22s；每次预热时热台的温度为270-330℃，预热时间为2-3min，旋涂和预热重复的次数为15-22次。

10、步骤(3)中硒化温度为560-590℃。

11、本发明还提供了一种柔性cztgsse溥膜太阳能电池，其包含上述任一项所述的制备方法制备得到的柔性cztgsse薄膜太阳能电池吸收层。

12、其中，所述柔性cztgsse薄膜太阳能电池其余结构还包括有柔性衬底ti、mo背电极、cds缓冲层、i-zno窗口层、ito透明导电层和ag电极。

13、在一种实施方式中，所述柔性衬底ti制备的尺寸为2×2cm2，厚度为45-75μm；所述mo背电极制备的厚度为900-1200nm；所述cztgsse吸收层制备的厚度为1.2-1.6μm；所述cds缓冲层制备的厚度为50-70nm；所述i-zno窗口层制备的厚度为50-70nm；所述ito透明导电层制备的厚度为180-250nm。

14、选用钛泊作为ti衬底，mo背电极由直流溅射法制备而成，cds缓冲层由化学水浴沉积法制备而成，i-zno窗口层和ito透明导电层由磁控溅射法制备而成，ag电极由蒸发法制备而成

15、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

16、(1)本发明通过ga3+的异价掺杂，有效地减少了晶体内部的缺陷数，从而降低了电池的内应力，进一步提高了电池的空穴密度和开路电压，最终使得电池的光电转化效率有所提高；

17、(2)本发明通过降低电池内应力的方法，还进一步提高了电池的机械强度，使得电池在承受一定程度的弯曲后，电池的效率不出现大幅度的降低，为其在工业和生活中弯曲环境下的应用打下了基础。

技术特征：

1.一种柔性cztsse薄膜太阳能电池内应力的改进方法，其特征在于：在制备cztsse薄膜太阳能电池吸收层时，将ga3+异价掺杂进入吸收层中，形成cztgsse吸收层。

2.根据权利要求1所述的改进方法，其特征在于，在利用溶液旋涂法制备czts前驱体溶液时，通过向溶液中添加gacl3的方式进行ga3+的异价掺杂，添加的gacl3的浓度为0.1-0.42mol/l。

3.根据权利要求2所述的改进方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的改进方法，其特征在于，步骤(1)中cu(ch3coo)2·h2o、zn(ch3coo)2·2h2o、sncl2·2h2o、ch4n2s和二甲基甲酰胺的摩尔比为（0.035-0.039）：（0.024-0.028）：（0.024-0.028）：（0.199-0.203）：（0.8-1.2），gacl3的掺杂浓度为0.1-0.42 mol/l。

5.根据权利要求3所述的改进方法，其特征在于，步骤(2)中cztgs前驱体溶液每次在mo层上旋转涂覆的转速为4500-5500 r/min，时间为18-22 s；每次预热时热台的温度为270-330 ℃，预热时间为2-3 min，旋涂和预热重复的次数为15-22次。

6.根据权利要求3所述的改进方法，其特征在于，步骤（3）中硒化温度为560-590℃。

7.一种柔性 cztgsse 薄膜太阳能电池，其特征在于，其包含权利要求3-6任一项所述的制备方法制备得到的柔性 cztgsse 薄膜太阳能电池吸收层。

8.根据权利要求7所述的柔性 cztgsse 薄膜太阳能电池，其特征在于，所述柔性cztgsse 薄膜太阳能电池其余结构还包括有柔性衬底 ti 、 mo 背电极、 cds 缓冲层、 i-zno窗口层、ito透明导电层和 ag 电极。

9. 根据权利要求8所述的柔性 cztgsse 薄膜太阳能电池，其特征在于，所述柔性衬底ti 的尺寸为2×2 cm2，厚度为45-75 μm；所述 mo 背电极的厚度为900-1200 nm；所述cztgsse 吸收层的厚度为1.2-1.6 μm；所述cds 缓冲层的厚度为50-70 nm；所述 i-zno窗口层的厚度为50-70 nm；所述 ito透明导电层的厚度为 180-250 nm。

10.根据权利要求8或9所述的柔性 cztgsse 薄膜太阳能电池，其特征在于，所述柔性ti 衬底为钛箔，所述 mo 背电极由直流溅射法制备而成，所述cds 缓冲层由化学水浴沉积法制备而成， 所述i-zno窗口层和所述ito透明导电层由磁控溅射法制备而成，所述ag 电极由蒸发法制备而成。

技术总结
本发明公开了一种柔性CZTSSe薄膜太阳能电池内应力的改进方法，在制备CZTSSe薄膜太阳能电池吸收层时，将Ga<supgt;3+</supgt;异价掺杂进入吸收层中，形成CZTGSSe吸收层。本发明通过Ga<supgt;3+</supgt;的异价掺杂，有效地减少了晶体内部的缺陷数，从而降低了电池的内应力，进一步提高了电池的空穴密度和开路电压，最终使得电池的光电转化效率有所提高；通过降低电池内应力的方法，还进一步提高了电池的机械强度，使得电池在承受一定程度的弯曲后，电池的效率不出现大幅度的降低，为其在工业和生活中弯曲环境下的应用打下了基础。

技术研发人员：陈春阳,孙孪鸿,王威,郝凌云,叶原丰,管航敏,支国伟
受保护的技术使用者：金陵科技学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12