一种用于太阳能电池的基于纳米粒子铜铟硫硒薄膜的制备方法

摘要

一种用于太阳能电池的基于纳米粒子铜铟硫硒薄膜的制备方法，采用磁控溅射法，在衬底的一侧沉积钼金属层作为背电极，在钼金属层背电极上制备铜铟硫吸收层，将铜铟硫吸收层衬底在硒化炉中进行硒化处理，制得铜铟硫硒吸收层；在铜铟硫硒吸收层上依次制备CdS缓冲层、本征氧化锌高阻层、氧化铟锡薄膜低阻抗层，制得用于太阳能电池的铜铟硫硒薄膜。优点是：选用的原料安全环保，操作方法简便，不引入其它杂质，太阳能电池转换效率高；并且对设备要求低，能源消耗小，对环境友好，适合工业化生产。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，特别涉及一种用于太阳能电池的基于纳米粒子铜铟硫硒薄膜的制备方法。

背景技术

太阳能电池是通过光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池的第三代产品－化合物薄膜太阳能电池有两个明显的优点：一是光电转换层很薄，只有几微米；二是薄膜太阳能电池吸收层带隙可以通过调整化合物的比例来控制，从而进一步扩大可吸收的太阳光波长范围。

铜铟硫硒化合物（CuInS_xSe_2-x，CISS）具有黄铜矿结构，是一种直接带隙材料（其带隙理论上可控制在1.02 eV～1.55 eV范围内），可吸收的太阳光波长范围较广，是一种优良的太阳能电池吸收层材料。

目前，制备薄膜铜铟硫硒化合物太阳能电池的方法主要有真空法和非真空法两大类。由于非真空法与真空法相比具有操作工艺简单，生产成本低廉，因此成为薄膜太阳能电池研究普遍使用的方法。非真空法制备铜铟硫系列薄膜太阳能电池一般采用肼溶剂法和纳米粒子旋涂法。肼溶剂法是以肼胺作为溶剂，该方法制作工艺简单，对反应条件要求较低，但肼胺高昂的价格以及高毒性限制了其工业化生产；纳米粒子旋涂法是采用合适的无机胶状纳米晶墨水用于可伸缩的旋涂工艺，再进一步通过旋涂、印刷等方法制备薄膜太阳能电池。但是该方法在纳米晶溶液层中有碳残留物，从而影响太阳能电池转换效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于太阳能电池的基于纳米粒子铜铟硫硒薄膜的制备方法，该方法不易引入其它杂质，太阳能电池转换效率高，对环境友好。

本发明的技术解决方案是：

一种用于太阳能电池的基于纳米粒子铜铟硫硒薄膜的制备方法，其具体步骤如下：

一种用于太阳能电池的基于纳米粒子铜铟硫硒薄膜的制备方法，其具体步骤如下：

1.1、在衬底上制备钼金属背电极

用厚度为1 mm的钠钙玻璃片作为衬底，经过清洗后，采用磁控溅射法，在衬底的一侧沉积厚度为1 μm～1.5 μm的钼金属层作为背电极；其中，溅射腔的真空度为1.0×10^-3 Pa～1.0×10^-4 Pa，通入纯度为99.99 %的氩气作为反应气体，沉积时气压控制在0.5 Pa～2.5 Pa，衬底温度为200 ℃～300 ℃，溅射功率为100 W～200 W；

1.2、在钼金属背电极上制备铜铟硫吸收层

1.2.1、配制金属盐前驱体溶液

将氢氧化铟、氧化亚铜、二硫化碳和一正丁胺混合并在超声条件下溶解，抽滤得到滤饼，将滤饼加入到有机溶剂中配制成金属盐前驱体溶液；所述氢氧化铟与氧化亚铜的摩尔比为1:0.5～1:0.9，所述氢氧化铟与一正丁胺的摩尔体积比为1:0.8 mmol/mL～1:1.5 mmol/mL，所述氢氧化铟与二硫化碳摩尔体积比为1:0.5 mmol/mL～1:1 mmol/mL，所述氢氧化铟与有机溶剂的摩尔体积比为1:0.8 mmol/mL～1:1 mmol/mL；其中，有机溶剂为甲醇、乙醇或氯仿；

1.2.2、制备CuInS₂纳米晶

将氢氧化铟、氧化亚铜和一正丁胺混合并在超声条件下溶解，配制成氢氧化铟摩尔浓度为1 mmol/mL、氧化亚铜摩尔浓度为0.5 mmol/mL～0.9 mmol/mL的溶液，加入用一正丁胺、二硫化碳与巯基丙酸按照体积比14:1:1配制的溶液中混合均匀，得到氢氧化铟-氧化亚铜-二硫化碳-巯基丙酸混合溶液；所述氢氧化铟与二硫化碳的摩尔体积比为1:0.1 mmol/mL，用溶剂热法制备CuInS₂纳米晶；

1.2.3制备铜铟硫吸收层

将CuInS₂纳米晶超声分散于金属盐前驱体溶液中得到均匀的纳米晶前驱体溶液，所述CuInS₂纳米晶与金属盐前驱体溶液的质量体积比为5 mg/mL，采用一步旋涂法在钼金属层背电极上制备厚度为1 μm～1.5 μm铜铟硫吸收层；

1.3、对铜铟硫吸收层进行硒化处理

将制得的铜铟硫吸收层衬底和硒粉封装在密闭的玻璃试管放入硒化炉中，玻璃试管内充氩气为保护气体，将硒化炉以10 ℃/min～20 ℃/min速度升温，在450 ℃～550 ℃下对铜铟硫吸收层进行硒化处理45 min～70 min，制得厚度为2 μm～3 μm铜铟硫硒吸收层；

1.4、在铜铟硫硒吸收层上制备CdS缓冲层

将硫酸镉溶解于去离子水中配制浓度为0.2 mg/mL～0.4 mg/mL的硫酸镉溶液，加入氨水调节溶液pH值至9～13，加入硫脲，得硫酸镉-硫脲混合溶液；所述硫脲与硫酸镉的质量比为2:1～3:1；将制得的铜铟硫硒吸收层衬底放入硫酸镉-硫脲混合溶液中，在60 ℃～80 ℃水浴条件下反应10 min～20 min，在铜铟硫硒吸收层上制得厚度为60 nm～100 nm的CdS缓冲层；

1.5、在CdS缓冲层上制备本征氧化锌高阻层

采用射频磁控溅射法，以烧结纯度为99.99 %的氧化锌陶瓷靶为靶材，在CdS缓冲层上制备厚度为50 nm～80 nm的本征氧化锌高阻层；其中，衬底温度保持为室温，射频磁控溅射的工作压力为0.1 Pa～1 Pa，工作气体是纯度为99.99 %的氩气，溅射功率为50 W～125 W；

1.6、在本征氧化锌高阻层上制备氧化铟锡薄膜低阻抗层

采用真空直流磁控溅射法，以铟锡氧化物为靶材，所述铟锡氧化物中In₂O₃与 SnO₂的质量比为9:1；其中，衬底温度保持在室温，工作气体是纯度为99.99 %的氩气，工作气压为2 Pa～3 Pa，溅射功率为50 W～125 W；在本征氧化锌高阻层上制备厚度为100 nm～200 nm的氧化锡铟薄膜低阻抗层，制得用于太阳能电池的铜铟硫硒薄膜。

钠钙玻璃片清洗时，先将钠钙玻璃片用去污粉和洗涤剂按照质量体积比为1:1g/mL配制洗涤液加入去离子水中超声波清洗15 min～20 min，所述洗涤剂与去离子水的体积比为1:10，用去离子水冲洗；再将钠钙玻璃片用去离子水超声波清洗20 min～30 min，随后去离子水超声波清洗2次～3次；然后将钠钙玻璃片放入无水乙醇中进行超声波30 min～60 min后，用吹风机吹干；最后将玻璃片放到紫外臭氧清洗机中进行紫外臭氧清洗30 min～60 min。

制备CuInS₂纳米晶时，将氢氧化铟-氧化亚铜-二硫化碳-巯基丙酸混合溶液在常温下搅拌2 h～3 h，倒入带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，液面达到内衬75%，密封后以2 ℃/min～5 ℃/min升温到150 ℃～200 ℃，反应1.5 h～2 h；反应完后，自然冷却到室温，加入2 mL～3 mL甲醇溶液，产生沉淀物，将沉淀物用无水乙醇反复洗涤、过滤4次～6次，在 50℃～60 ℃下真空干燥4 h～12 h，得到CuInS₂纳米晶。

本发明的有益效果： 

（1）、选用的原料安全环保，操作方法简便，不引入其它杂质，太阳能电池转换效率高；并且对设备要求低，能源消耗小，对环境友好，适合工业化生产；

（2）、吸收层的制备是在非真空的环境中完成的，将分子前体溶液作为铜铟硫纳米粒子交联剂来制备吸收层，工艺简单，生产和使用成本较低；

（3）、吸收层采用旋涂法一步成膜，缩短了生产周期，避免了层与层之间位错的产生，并且可以通过调整纳米晶溶液浓度来控吸收层的厚度；

（4）、硒化后的铜铟硫硒吸收层具有黄铜矿结构，孔隙率较低，通过调整铜铟硫硒吸收层中硒的含量，可以调节带隙；可以通过调整硒化温度和硒化时间，来控制铜铟硫硒吸收层的厚度，从而能最大范围的吸收太阳光，提高太阳能电池的光电转换效率。

附图说明

图1是本发明的CuInS₂纳米粒子XRD图；

图2是本发明的CuInS₂薄膜SEM图；

图3是本发明的CuInS₂薄膜XRD图；

图4是本发明的CuInSSe薄膜SEM图；

图5是本发明的CuInSSe薄膜截面SEM图；

图6是本发明的CuInSSe薄膜XRD图；

图7是本发明的CuInSSe薄膜透射光谱图；

图8是本发明的CuInSSe薄膜制备太阳能电池的电池效率图。

具体实施方式

实施例1

1.1、在衬底上制备钼金属背电极

用厚度为1 mm的载玻片作为衬底，先将载玻片放入用去污粉和洗涤剂（50 mL去离子水中加入5 g去污粉和5 mL洗涤剂）配制的洗涤液中超声波清洗15 min，用去离子水冲洗；再放入去离子水中超声波清洗20 min，去离子水超声波清洗2次；然后将载玻片放入无水乙醇中进行超声波30 min后，用吹风机吹干；最后放到紫外臭氧清洗机中进行紫外臭氧清洗30 min；采用磁控溅射法，在衬底的一侧沉积厚度为1 μm的钼金属层作为背电极；其中，溅射腔的真空度为1.0×10^-3 Pa，以纯度为99.99 %的氩气作为反应气体，沉积时气压控制在0.5 Pa，衬底温度为200 ℃，溅射功率为100 W；

1.2、在钼金属背电极上制备铜铟硫吸收层

1.2.1、配制金属盐前驱体溶液

在锥形瓶中加入0.009mol氧化亚铜、0.01 mol氢氧化铟、8 mL一正丁胺和5 mL二硫化碳，混合并在超声条件下溶解，抽滤得到滤饼；将滤饼加入到10 mL甲醇中，经超声分散均匀后作为金属盐前驱体溶液；

1.2.2、制备CuInS₂纳米晶

取0.009 mol氧化亚铜和0.01 mol氢氧化铟加入到10 mL一正丁胺中，混合并在超声条件下溶解，然后加入到14 mL的一正丁胺、1 mL 二硫化碳和1 mL巯基丙酸混合溶液中，室温下搅拌2 h，倒入带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，液面达到内衬75%，密封后以2 ℃/min升温到150 ℃，反应1.5 h；反应完后，自然冷却到室温，加入2 mL甲醇溶液，产生沉淀物，将沉淀物用无水乙醇反复洗涤、过滤4次，在 50℃下真空干燥4 h，得到CuInS₂纳米晶；其XRD图如图1所示，与标准卡片JCPDS 85-1575衍射峰一致，28o、47o和55o的峰位分别对应着四方相CuInS₂的（112）、（220）和（312）晶面；

1.2.3制备铜铟硫吸收层

将50 mgCuInS₂纳米晶超声分散于10 mL金属盐前驱体溶液中得到均匀的纳米晶前驱体溶液，采用一步旋涂法在钼金属层背电极上制备厚度为1 μm铜铟硫吸收层，其SEM图如图2所示、XRD图如图3所示；由图2可以看出，铜铟硫吸收层薄膜比较平整，粒径比较均匀，表面有沟壑存在；图3中的Mo特征主要来自背电极Mo；

1.3、对铜铟硫吸收层进行硒化处理

将制得的铜铟硫吸收层衬底和硒粉封装在密闭的玻璃试管中放入硒化炉，玻璃试管内充氩气为保护气体，将硒化炉以10 ℃/min速度升温到450 ℃，在450 ℃下对铜铟硫吸收层进行硒化处理45 min，制得厚度为2 μm铜铟硫硒吸收层；其SEM表面、截面图、XRD图、薄膜透射光谱图如图4、图5、图6、图7所示；由图4可以看出硒化后的薄膜表面为较大颗粒组成；由图5可以看出整个吸收层颗粒尺寸较大，说明铜铟硫硒吸收层硒化比较完全；图6中标记的峰位均为铜铟硫硒主要特征峰；由图7可以看出在可见光波长390 nm～780 nm范围内，可见光的透过率接近于0，说明我们制备的薄膜几乎可以将可见光全部吸收；

1.4、在铜铟硫硒吸收层上制备CdS缓冲层

将40 mg硫酸镉溶解于200 mL去离子水中配制浓度为0.2 mg/mL硫酸镉溶液，加入氨水调节溶液pH值至9，加入80 mg硫脲，得到硫酸镉-硫脲混合溶液，将制得的铜铟硫硒吸收层衬底放入硫酸镉-硫脲混合溶液中，在60 ℃水浴条件下反应10 min，在铜铟硫硒吸收层上制得厚度为60 nm的CdS缓冲层；

1.5、在CdS缓冲层上制备本征氧化锌高阻层

采用射频磁控溅射法，以烧结纯度为99.99 %的氧化锌陶瓷靶为靶材，在CdS缓冲层制备厚度为50 nm的本征氧化锌高阻层；其中，衬底温度保持为室温，射频磁控溅射的工作压力为0.1 Pa，工作气体是纯度为99.99 %的氩气，溅射功率为50 W；

1.6、在本征氧化锌高阻层上制备氢氧化铟锡（In₂O₃:SnO₂）薄膜低阻抗层

采用真空直流磁控溅射法，以铟锡氧化物为靶材，所述铟锡氧化物中In₂O₃与 SnO₂的质量比为9:1，其中，衬底温度保持在室温，工作气体是纯度为99.99 %的氩气，工作气压为2 Pa，溅射功率为50 W，在本征氧化锌高阻层上制备厚度为100 nm的氧化锡铟薄膜低阻抗层，制得用于太阳能电池的铜铟硫硒薄膜； 

1.7、在氢氧化铟锡薄膜低阻抗层上制备铝电极

用掩膜遮住氧化锡铟薄膜低阻抗层，利用Al靶材，通过蒸镀法在氧化锡铟薄膜低阻抗层上制备Al电极，组装完整结构的铜铟硫硒薄膜太阳能电池；其电池效率如图8所示。由图8可知，当面积为0.368 cm²时，电池的开路电压为V_oc=465 mV，短路电流J_sc=23.46 mA/cm²，填充因子FF=42.8%，转换效率为n=4.68%。

实施例2

1.1、在衬底上制备钼金属背电极

用厚度为1 mm的钠钙玻璃片作为衬底，先将钠钙玻璃片用去污粉和洗涤剂（50 mL去离子水中加入5 g去污粉和5 mL洗涤剂）配制的洗涤液中超声波清洗20 min，用去离子水冲洗；再将钠钙玻璃片用去离子水超声波清洗30 min，去离子水超声波清洗3次；然后将钠钙玻璃片放入无水乙醇中进行超声波60 min后，用吹风机吹干；最后将玻璃片放到紫外臭氧清洗机中进行紫外臭氧清洗60 min；采用磁控溅射法，在衬底的一侧沉积厚度为1.5 μm的钼金属层作为背电极；其中，溅射腔的真空度为1.0×10^-4 Pa，通入纯度为99.99 %的氩气作为反应气体，沉积时气压控制在2.5 Pa，衬底温度为300 ℃，溅射功率为200 W；

1.2、在钼金属背电极上制备铜铟硫吸收层

1.2.1、配制金属盐前驱体溶液

在锥形瓶中加入0.007 mol氧化亚铜、0.01 mol氢氧化铟、10 mL一正丁胺和8 mL 二硫化碳，混合并在超声条件下溶解，抽滤得到滤饼；将滤饼加入到10 mL乙醇中，经超声分散均匀后作为金属盐前驱体溶液；

1.2.2、制备CuInS₂纳米晶

取0.007 mol氧化亚铜和0.01 mol氢氧化铟加入10 mL一正丁胺中，混合并在超声条件下溶解，然后加入到14 mL的一正丁胺、1 mL 二硫化碳和1 mL巯基丙酸混合溶液中，室温下搅拌2.5 h，倒入带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，液面达到内衬75%，密封后以5 ℃/min升温到200 ℃，反应1.5 h；反应完后，自然冷却到室温，加入2 mL甲醇溶液，产生沉淀物，将沉淀物用无水乙醇反复洗涤、过滤4次，在 50℃下真空干燥12 h，得到CuInS₂纳米晶；

1.2.3制备铜铟硫吸收层

将50 mgCuInS₂纳米晶超声分散于10 mL金属盐前驱体溶液中得到均匀的纳米晶前驱体溶液，采用一步旋涂法在钼金属层背电极上制备厚度为1.5 μm铜铟硫吸收层；

1.3、对铜铟硫吸收层进行硒化处理

将制得的铜铟硫吸收层衬底和硒粉封装在密闭的玻璃试管中放入硒化炉，玻璃试管内充氩气为保护气体，将硒化炉以20 ℃/min速度升温到550 ℃，在550 ℃下对铜铟硫吸收层进行硒化处理70 min，制得厚度为3 μm铜铟硫硒吸收层；

1.4、在铜铟硫硒吸收层上制备CdS缓冲层

将80 mg硫酸镉溶解于200 mL去离子水中配制硫酸镉溶液（浓度为0.4 mg/mL），加入氨水调节溶液pH值至13，加入200 mg硫脲（硫脲与硫酸镉的质量比为2.5:1），得到硫酸镉-硫脲混合溶液，将制得的铜铟硫硒吸收层衬底放入硫酸镉-硫脲混合溶液中，水浴加热至80 ℃，水浴反应20 min，在铜铟硫硒吸收层上制得厚度为100 nm的CdS缓冲层；

1.5、在CdS缓冲层上制备本征氧化锌高阻层

采用射频磁控溅射法，以烧结纯度为99.99 %的氧化锌陶瓷靶为靶材，在CdS缓冲层制备厚度为80 nm的本征氧化锌高阻层；其中，衬底温度保持为室温，射频磁控溅射的工作压力为1 Pa，工作气体是纯度为99.99 %的氩气，溅射功率为125 W；

1.6、在本征氧化锌高阻层上制备氢氧化铟锡（In₂O₃:SnO₂）薄膜低阻抗层

采用真空直流磁控溅射法，以铟锡氧化物为靶材，所述铟锡氧化物中In₂O₃与 SnO₂的质量比为9:1，其中，衬底温度保持在室温，工作气体是纯度为99.99 %的氩气，工作气压为3 Pa，溅射功率为125 W，在本征氧化锌高阻层上制备厚度为200 nm的氧化锡铟薄膜低阻抗层，制得用于太阳能电池的铜铟硫硒薄膜；

1.7、在氢氧化铟锡薄膜低阻抗层上制备铝电极

用掩膜遮住氧化锡铟薄膜低阻抗层，利用Al靶材，通过蒸镀法在氧化锡铟薄膜低阻抗层上制备Al电极，组装完整结构的铜铟硫硒薄膜太阳能电池。经测试，电池转换效率为4.37%。

实施例3

1.1、在衬底上制备钼金属背电极

用厚度为1 mm的钠钙玻璃片作为衬底，先将钠钙玻璃片用去污粉和洗涤剂（50 mL去离子水中加入5 g去污粉和5 mL洗涤剂）配制的洗涤液中超声波清洗18 min，用去离子水冲洗；再将钠钙玻璃片用去离子水超声波清洗25 min，去离子水超声波清洗3次；然后将钠钙玻璃片放入无水乙醇中进行超声波45 min后，用吹风机吹干；最后将玻璃片放到紫外臭氧清洗机中进行紫外臭氧清洗45 min；采用磁控溅射法，在衬底的一侧沉积厚度为1.25 μm的钼金属层作为背电极；其中，溅射腔的真空度为0.5×10^-3 Pa，通入纯度为99.99 %的氩气作为反应气体，沉积时气压控制在2.0 Pa，衬底加热至250 ℃，溅射功率为150 W；

1.2、在钼金属背电极上制备铜铟硫吸收层

1.2.1、配制金属盐前驱体溶液

在锥形瓶中加入0.005 mol氧化亚铜、0.01 mol氢氧化铟、15 mL一正丁胺和10 mL二硫化碳，混合并在超声条件下溶解，抽滤得到滤饼；将滤饼加入到8mL氯仿中，经超声分散均匀后作为金属盐前驱体溶液；

1.2.2、制备CuInS₂纳米晶

取0.005 mol氧化亚铜和0.01 mol氢氧化铟加入10 mL一正丁胺中，混合并在超声条件下溶解，然后加入到14 mL的正丁胺、1 mL二硫化碳和1 mL巯基丙酸混合溶液中，室温下搅拌3h，倒入带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，液面达到内衬75%，密封后以3 ℃/min升温到180 ℃，反应2 h；反应完后，自然冷却到室温，加入3 mL甲醇溶液，产生沉淀物，将沉淀物用无水乙醇反复洗涤、过滤6次，在 60℃下真空干燥8h，得到CuInS₂纳米晶；

1.2.3制备铜铟硫吸收层

将50 mgCuInS₂纳米晶超声分散于10 mL金属盐前驱体溶液中得到均匀的纳米晶前驱体溶液，采用一步旋涂法在钼金属层背电极上制备厚度为1.2 μm铜铟硫吸收层；

1.3、对铜铟硫吸收层进行硒化处理

将制得的铜铟硫吸收层衬底和硒粉封装在密闭的玻璃试管中放入硒化炉，玻璃试管内充氩气为保护气体，将硒化炉以15 ℃/min速度升温到500 ℃，对铜铟硫吸收层进行硒化处理60 min，制得厚度为2.5 μm铜铟硫硒吸收层；

1.4、在铜铟硫硒吸收层上制备CdS缓冲层

将60 mg硫酸镉溶解于200 mL去离子水中配制浓度为0.3 mg/mL的硫酸镉溶液，加入氨水调节溶液pH值至10，加入180 mg硫脲，得到硫酸镉-硫脲混合溶液，将制得的铜铟硫硒吸收层衬底放入硫酸镉-硫脲混合溶液中，在70 ℃水浴条件下反应15 min，在铜铟硫硒吸收层上制得厚度为80 nm的CdS缓冲层；

1.5、在CdS缓冲层上制备本征氧化锌高阻层

采用射频磁控溅射法，以烧结纯度为99.99 %的氧化锌陶瓷靶为靶材，在CdS缓冲层制备厚度为70 nm的本征氧化锌高阻层；其中，衬底温度保持为室温，射频磁控溅射的工作压力为0.5 Pa，工作气体是纯度为99.99 %的氩气，溅射功率为100 W；

1.6、在本征氧化锌高阻层上制备氢氧化铟锡（In₂O₃:SnO₂）薄膜低阻抗层

采用真空直流磁控溅射法，以铟锡氧化物为靶材，所述铟锡氧化物中In₂O₃与SnO₂的质量比为9:1，其中，衬底温度保持在室温，工作气体是纯度为99.99%的氩气，工作气压为2.5 Pa，溅射功率为100 W，在本征氧化锌高阻层上制备厚度为150 nm的氧化锡铟薄膜低阻抗层，制得用于太阳能电池的铜铟硫硒薄膜；

1.7、在氢氧化铟锡薄膜低阻抗层上制备铝电极

用掩膜遮住氧化锡铟薄膜低阻抗层，利用Al靶材，通过蒸镀法在氧化锡铟薄膜低阻抗层上制备Al电极，组装完整结构的铜铟硫硒薄膜太阳能电池。经测试，其电池转换效率为4.28%。