一种改善CZTSSe太阳能电池吸收层质量的方法

本发明属于cztsse太阳能电池，具体涉及一种改善cztsse太阳能电池吸收层质量的方法。

背景技术：

1、铜锌锡硫薄膜太阳能电池(即cztsse太阳能电池)是以多晶cztsse半导体薄膜为吸收层的太阳电池。经典的cztsse电池结构包括钠钙玻璃衬底、mo背电极、cztsse吸收层、cds缓冲层、本征zno和ito窗口层以及ag顶电极组成。

2、近年来，太阳能电池在绿色、高效可再生能源领域取得了巨大的进展。其中，新型无机薄膜太阳能电池cztsse因其可调带隙(1.0-1.5ev)、丰富的组成元素、高吸光系数(＞104cm-1)和低成本等优点，成为备受关注的光伏器件之一。然而，目前cztsse的最高认证效率为14.9％，与理论效率之间仍存在较大差距。作为太阳能电池的核心结构，吸收层的结晶质量和内部缺陷对器件性能有着显著影响。

3、cztsse吸收层的晶体质量影响光生载流子的传输、分离和复合过程，是影响锌黄锡矿cztsse太阳能电池光电转换效率的关键因素。其中分子前驱体溶液法具有元素配比易于控制、成本低和易于大面积制备等显著优势，被认为是实现大面积工业化制备cztsse太阳能电池器件的重要方法。分子前驱体溶液法具体为通过将铜粉、锌粉、锡粉、硒粉和硫粉溶于有机溶剂中得到cztsse前驱体溶液，旋涂法制备得到cztsse前驱体薄膜，最后高温硒化制备得到cztsse吸收层。但是在cztsse前驱体薄膜的硒化过程中容易形成小晶粒或空洞的情况，不仅增加了吸收层的电阻，而且包含更多的晶界和复合中心，使得电子和空穴在传输时极易被捕获，不利于载流子的传输、分离和收集，这些载流子传输势垒造成的严重复合最终导致器件性能较低。因此，如何提高cztsse吸收层的晶体质量，减少晶界和空洞，降低载流子传输势垒，降低载流子复合损失，是提高器件的光电转换效率是当务之急。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种改善cztsse太阳能电池吸收层质量的方法，制备所得cztsse薄膜的结晶质量较高，用于cztsse太阳能电池能够有效提高器件的光电转换效率。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、提供一种改善cztsse吸收层质量的方法，以分子前驱体溶液法制备cztsse吸收层，其中cztsse前驱体溶液中溶剂为乙二胺和乙二硫醇混合溶剂，乙二胺和乙二硫醇的体积比为5：(0.8-1.2)。优选地，体积比为5：(0.8-1.1)；更优选地，体积比为5：(0.9-1.1)。

4、按上述方案，所述cztsse前驱体溶液浓度为1.3～1.6mol/l。

5、按上述方案，所得cztsse吸收层厚度为1.4～1.6μm。

6、按上述方案，所述分子前驱体溶液法具体为：将铜粉、锌粉、锡粉、硒粉和硫粉加热条件下溶解于溶剂中得cztsse前驱体溶液，旋涂沉积在钼玻璃基底上，在惰性气体氛围下进行热退火处理，重复旋涂和热退火处理工艺，直至达到预想厚度得前驱体薄膜，最后进行硒化处理制备得到cztsse吸收层薄膜。

7、优选地，加热温度为60～70℃，溶解时间为2～3h。

8、优选地，钼玻璃基底为在钠钙玻璃基底表面沉积一层钼薄膜得到。更优选地，mo膜厚度为700～900nm。

9、优选地，铜粉、锌粉、锡粉、硒粉和硫粉的摩尔比为1.65：1.13：1.08：0.69：4.01。

10、优选地，前驱体薄膜具体制备工艺为：将cztsse前驱体溶液在3000～3500r/min的条件下旋涂25～35s，接着立即把薄膜样品放置于预先加热到310～330℃的热台上煅烧1～3min。重复旋涂和预退火处理工艺，直至前驱体薄膜厚度达到1.4～1.6μm。

11、优选地，硒化处理温度为520～560℃，处理时间为14～17min。更优选地升温速率为8～10℃/s，氮气气流量为60～100sccm。

12、优选地，得到的cztsse前驱体薄膜放入含有0.6～1.0g硒粒的方形石墨盒中进行高温硒化处理。

13、提供一种cztsse太阳能电池，包括上述方法制备所得cztsse吸收层。

14、按上述方案，所述cztsse太阳能电池还包括钠钙玻璃衬底、mo背电极、cds缓冲层、本征zno和ito薄膜窗口层以及ag顶电极；其中cztsse吸收层位于mo背电极和cds缓冲层之间。

15、优选地，所述mo背电极厚度为700～900nm；cztsse吸收层厚度为1.4～1.6μm；cds缓冲层厚度为40～60nm；本征zno厚度为40～60nm；ito薄膜厚度为180～220nm；ag顶电极厚度为180～220nm。

16、提供一种上述cztsse太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

17、1)在钠钙玻璃衬底表面沉积mo背电极；

18、2)在步骤1)所得mo背电极表面根据上述方法制备得到cztsse吸收层；

19、3)在步骤2)所得cztsse吸收层薄膜的表面依次沉积cds缓冲层、本征zno和ito薄膜窗口层以及ag顶电极，即得cztsse电池。

20、按上述方案，所述步骤1)中，通过直流磁控溅射制备mo背电极。

21、按上述方案，所述步骤3)中，cds缓冲层采用化学浴沉积法制备；本征zno和ito薄膜均由射频磁控溅射法制备；ag顶电极由热蒸发法制备。

22、本发明的有益效果是：

23、1.本发明提供了一种改善cztsse太阳能电池吸收层质量的方法，通过优化cztsse前驱体溶液的混合溶剂中乙二胺和乙二硫醇体积比，促进了前驱体粉体在溶剂中的溶解和配位，得到稳定的前驱体溶液，优化了退火过程中的结晶成膜过程，进而得到结晶性好和致密均匀的高质量cztsse吸收层薄膜，晶界少载流子传输复合少，组装得到的cztsse太阳能电池器件，其光电转换效率明显提升，可高达13.26％，具有广泛的应用前景。

24、2.本发明通过简单调控溶剂中乙二胺和乙二硫醇的体积比，即制备得到高质量的吸收层薄膜，具有工业化应用前景。

技术特征：

1.一种改善cztsse吸收层质量的方法，以分子前驱体溶液法制备cztsse吸收层，其特征在于，cztsse前驱体溶液中溶剂为乙二胺和乙二硫醇混合溶剂，乙二胺和乙二硫醇的体积比为5：(0.8-1.2)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述cztsse前驱体溶液的浓度为1.3～1.6mol/l。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所得cztsse吸收层厚度为1.4～1.6μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分子前驱体溶液法具体为：将铜粉、锌粉、锡粉、硒粉和硫粉加热条件下溶解于溶剂中得cztsse前驱体溶液，旋涂沉积在钼玻璃基底上，在惰性气体氛围下进行热退火处理，重复旋涂和热退火处理工艺，直至达到预想厚度得前驱体薄膜，最后进行硒化处理制备得到cztsse吸收层薄膜。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，加热温度为60～70℃，溶解时间为2～3h。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，前驱体薄膜具体制备工艺为：将cztsse前驱体溶液在3000～3500r/min的条件下旋涂25～35s，接着立即把薄膜样品放置于预先加热到310～330℃的热台上煅烧1～3min，重复旋涂和预退火处理工艺，直至前驱体薄膜厚度达到1.4～1.6μm。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，硒化处理温度为520～560℃，处理时间为14～17min。

8.一种cztsse太阳能电池，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的方法制备所得cztsse吸收层。

9.根据权利要求8所述的cztsse太阳能电池，其特征在于，所述cztsse太阳能电池还包括钠钙玻璃衬底、mo背电极、cds缓冲层、本征zno和ito薄膜窗口层以及ag顶电极；其中cztsse吸收层位于mo背电极和cds缓冲层之间。

10.一种权利要求8所述的cztsse太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种改善CZTSSe太阳能电池吸收层质量的方法，其步骤为：以分子前驱体溶液法制备CZTSSe吸收层，其中CZTSSe前驱体溶液中溶剂为乙二胺和乙二硫醇混合溶剂，乙二胺和乙二硫醇的体积比为5：(0.8‑1.2)。本发明通过简单调控乙二胺和乙二硫醇的体积比来制备CZTSSe吸收层薄膜，显著改善了吸收层的结晶性；用于CZTSSe电池中时，促使载流子的传输和分离，降低载流子传输势垒，提高器件的光电转换效率，所得CZTSSe太阳能电池的光电转换效率有显著提升。

技术研发人员：符俊杰,杨瑾,高迁迁,张鑫,任曙,祝豪楠,刘航,王旭辉,郑直
受保护的技术使用者：许昌学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16