一種鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了一種鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面處理方法，屬于 太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，由于環(huán)境污染和能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，促成了人們對(duì)可再生類能源的重 視和研宄，也極大促進(jìn)了太陽能電池等新能源領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。而化合物薄膜太陽能 電池因其成本低廉以及較高的理論光電轉(zhuǎn)換效率已成為最具有應(yīng)用前景的太陽能電池之 一，成為光伏領(lǐng)域開發(fā)的重點(diǎn)對(duì)象，其中銅銦鎵硒基太陽能電池經(jīng)過近40年的發(fā)展已經(jīng)逐 漸從學(xué)術(shù)界走向了產(chǎn)業(yè)界，并獲得了最高超過21%的光電轉(zhuǎn)化效率，然而此類太陽能電池 中的In和Ga是稀散金屬、價(jià)格昂貴且儲(chǔ)量有限，這成為該類太陽能電池進(jìn)一步發(fā)展的障 礙。
[0003] 新型的鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層（CUhAgJ2 (ZrVbCdb) (Sn^Ge。） (S^Sedh具有可調(diào)的禁帶寬度、光吸收系數(shù)較大、性能穩(wěn)定和不存在光衰效應(yīng)、具有很高的 理論轉(zhuǎn)換效率和廣闊的發(fā)展?jié)摿?，而成為目前研宄的熱點(diǎn)。各國學(xué)者致力提高電池的轉(zhuǎn)換 效率，其中，Cu2ZnSn(S，Se) 4薄膜太陽能電池效率已經(jīng)超過12%，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
[0004] 鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層材料的制備已經(jīng)得到大量的研宄，真空法 和非真空法均制備出了較高質(zhì)量的薄膜材料。為了進(jìn)一步提高該類薄膜太陽能電池的光電 轉(zhuǎn)換效率，更快實(shí)現(xiàn)電池的產(chǎn)業(yè)化，必須進(jìn)一步改善鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜材料的物化性質(zhì)，特 別是表界面性質(zhì)。目前，各種方法制備的鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜均存在著表面缺陷，并且與緩沖 層形成的p-n結(jié)也存在能級(jí)不匹配、缺陷密度高等問題，會(huì)產(chǎn)生大量的載流子復(fù)合中心，嚴(yán) 重影響太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層存在的缺陷，嚴(yán)重影響 太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，本發(fā)明的目的是在于提供一種通過離子摻雜的方式對(duì)光吸收 層表面進(jìn)行處理來提高太陽能電池開路電壓、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率的方法；該方法原 料利用率高、環(huán)境友好、成本低廉，生產(chǎn)中可大規(guī)模推廣應(yīng)用。
[0006] 本發(fā)明提供了一種鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面處理方法，該方 法是將光吸收層置于含金屬離子的溶液中浸泡后，在100?600°C溫度下進(jìn)行退火處理；所 述的光吸收層為（Cu^AgJJZrVbCdb) (Sn^Ge。）以_?4，其中，a、b、c、d各自獨(dú)立地選自 0?1〇
[0007] 本發(fā)明的處理鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面的方法還包括以下 優(yōu)選方案：
[0008] 優(yōu)選的方案中含金屬離子的溶液中含有Na+、K+、Ag+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Fe3+、 Cr3+、In3+中的至少一種。
[0009] 進(jìn)一步優(yōu)選的方案中含金屬離子的溶液中Na+、K+和Ag+各自的濃度范圍均在 0.00001?1111〇1/1^之間，〇&2+、]\%2+、〇112+、〇(12+和2112+各自的濃度范圍均在0.00001?0.81]1〇1/L之間，F(xiàn)e3+、Cr3+和In3+各自的濃度范圍均在0. 00001?0. 6mol/L之間，且金屬離子的總 濃度范圍在0. 00001?3.Omol/L之間。
[0010] 優(yōu)選的方案中含金屬離子的溶液的溫度為5?95°C。
[0011] 優(yōu)選的方案中光吸收層在含金屬離子的溶液中浸泡的時(shí)間為〇. 〇〇1?4h。
[0012] 優(yōu)選的方案中退火處理時(shí)間為5?100分鐘。
[0013] 進(jìn)一步優(yōu)選的方案中退火處理可以在氮?dú)鈿夥栈蚨栊詺夥栈蚍磻?yīng)性氣氛中進(jìn)行。
[0014] 進(jìn)一步優(yōu)選的方案中惰性氣氛為氬氣。
[0015] 進(jìn)一步優(yōu)選的方案中反應(yīng)性氣氛為硫蒸汽、硒蒸汽、硫化氫或硒化氫氣氛。
[0016] 優(yōu)選的方案中光吸收層可以重復(fù)進(jìn)行多次浸泡和退火處理過程，實(shí)現(xiàn)表面的進(jìn)一 步優(yōu)化。
[0017] 本發(fā)明的鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層是在基底上通過真空或者非真 空法制備得到。
[0018] 相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明首次采用金屬離子摻雜的方法，對(duì)鋅黃 錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層進(jìn)行表面處理，可有效改善太陽能電池的開路電壓和填 充因子，提高光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明先通過浸漬的方法將金屬離子浸入鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜 太陽能電池光吸收層表面晶格中，且均勻負(fù)載，再結(jié)合退火處理，使摻雜元素進(jìn)入晶格改善 材料的缺陷化學(xué)性質(zhì)，在薄膜表層形成掩埋結(jié)，降低界面復(fù)合或者有效作用于晶界，鈍化界 面缺陷，減少載流子復(fù)合中心；這兩種效應(yīng)均可有利于改善太陽能電池的開路電壓和填充 因子，提高光電轉(zhuǎn)換效率，能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜存在的表面缺陷，并且與 緩沖層形成的P_n結(jié)也存在能級(jí)不匹配、缺陷密度高等問題。該方法簡易、原料利用率高、 環(huán)境友好、成本低廉，生產(chǎn)中可大規(guī)模推廣。
【附圖說明】
[0019] 【圖1】為實(shí)施例1制得的光吸收層薄膜表面SEM圖；
[0020]【圖2】為實(shí)施例3制得的光吸收層薄膜表面的XPS檢測In元素的擬合曲線圖。具體實(shí)施方案
[0021] 下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不得將這些實(shí)施例作為對(duì) 本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍的限制。
[0022] 實(shí)施例1
[0023] 制備鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層(：1120(16以64后，先將樣品在含有 0?lmol/LNa+、0. 7mol/LCa2+和0? 5mol/LFe3+的金屬鹽水溶液中浸泡（溶液溫度10°C，浸 泡時(shí)間3. 5h)，然后在150°C的氮?dú)鈿夥障卤?0分鐘，最后制備成器件。
[0024] 制備的（：1120(16以64薄膜太陽能電池的開路電壓為403mV，短路電流密度為 26. 98mA/cm2,填充因子48 %，電池的光電轉(zhuǎn)換效率為5. 22 %。如圖1所示，為離子浸泡處理 后表面的SEM圖，由圖1可以看出，表面形貌致密、平整，晶粒尺寸較大，無明顯孔洞或缺陷。
[0025] 實(shí)施例2
[0026] 制備鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層&1221^1^4后，先將樣品在含有 0? 3mol/LK+、0. 5mol/LAg+、0. 6mol/LMg2+、0. 5mol/LCu2+、0. 4mol/LZn2+、0. 4mol/LCr3+的金屬 鹽水溶液中浸泡（溶液溫度30°C，浸泡時(shí)間2. 5h)，然后在250°C的氬氣氣氛下保溫70分 鐘，最后制備成器件。
[0027] 對(duì)比未經(jīng)過浸泡退火工藝處理的器件性能如表1所示，由表可見，經(jīng)過處理后的 器件的開路電壓、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率均有一定程度的提升。
[0028] 表1器件性能對(duì)比
[0029]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鋒黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面處理方法，其特征在于，將光吸 收層置于含金屬離子的溶液中浸泡后，在100?600°c溫度下進(jìn)行退火處理；所述的光吸收 層為（Cui_aAga)2狂rVbCdb)袖1_腳。）（Si_dSed)4,其中，a、b、c、d各自獨(dú)立地選自0?1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋒黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面處理方法，其 特征在于，所述的含金屬離子的溶液中含有Na\ r、Ag\ Ca"、Mg"、化2\ CcT、化2\化化 In3+中的至少一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋒黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面處理方法，其 特征在于，所述的含金屬離子的溶液中Na\r和Ag +各自的濃度范圍均在0. 00001?Imol/ L之間，Ca"、Mg"、Cu"、CcT和化"各自的濃度范圍均在0. 00001?0. 8mol/L之間，化 化和In 各自的濃度范圍均在0. 00001?0. 6mol/L之間，且金屬離子的總濃度范圍在 0. 00001 ?3. Omol/L 之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋒黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面處理方法，其 特征在于，所述的含金屬離子的溶液的溫度為5?95°C。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項(xiàng)所述的鋒黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面處 理方法，其特征在于，所述的光吸收層在含金屬離子的溶液中浸泡的時(shí)間為0. 001?化。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋒黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面處理方法，其 特征在于，所述的退火處理時(shí)間為5?100分鐘。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋒黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面處理方法，其 特征在于，所述的退火處理可W在氮?dú)鈿夥栈蚨栊詺夥栈蚍磻?yīng)性氣氛中進(jìn)行。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋒黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面處理方法，所 述的惰性氣氛為氣氣，所述的反應(yīng)性氣氛為硫蒸汽、砸蒸汽、硫化氨或砸化氨氣氛。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋒黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面處理方法，其 特征在于，光吸收層可W重復(fù)進(jìn)行多次浸泡和退火處理過程，實(shí)現(xiàn)表面的進(jìn)一步優(yōu)化。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層的表面處理方法，該方法是將光吸收層(Cu1-aAga)2(Zn1-bCdb)(Sn1-cGec)(S1-dSed)4(其中，a、b、c、d各自獨(dú)立地選自0～1)置于含金屬離子的溶液中浸泡后，進(jìn)行退火處理；該方法處理后的鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池光吸收層能很好地改善吸光層的表面缺陷，能有效提高太陽能電池的開路電壓、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率，且該方法原料利用率高、環(huán)境友好、成本低廉，生產(chǎn)中可大規(guī)模推廣應(yīng)用。
【IPC分類】H01L31-18
【公開號(hào)】CN104617186
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510062290
【發(fā)明人】劉芳洋, 高春暉, 蔣良興, 秦勤, 楊佳, 趙聯(lián)波
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年2月6日